Rosetta renforce l’hypothèse que des comètes ont contribué à former l’atmosphère terrestre

Gros plan sur la comète Tchouri. La sonde Rosetta n’était alors qu’à 9,9 km du centre du noyau cométaire — Crédit : ESA, Rosetta, Navcam, CC BY-SA IGO 3.0

Les comètes, véritables fossiles qui ont conservé des traces de la formation de notre Système solaire, pourraient avoir pris part à la constitution de l’atmosphère terrestre. Ce sont les proportions de différents isotopes du xénon qui ont soufflé cette possibilité aux chercheurs. Hypothèse aujourd’hui renforcée par les résultats d’analyse de l’un des instruments de Rosetta, Rosina, qui avait frôlé la comète Tchouri voici plus d’un an.

Voici quelques semaines, après examen de roches terrestres âgées de 3,3 milliards d’années qui ont piégé des bulles d’air de l’atmosphère de cette période, une équipe de chercheurs, sous l’impulsion de Bernard Marty (CRPG-CNRS et université de Lorraine), signait une étude dans Nature Communications sur le xénon échantillonné (voir article ici). Pour eux, le rapport des différents isotopes de ce gaz rare trahit une participation des comètes dans la constitution de l’atmosphère.
Dans un article dont il est l’auteur principal et qui vient de paraître dans la revue Science, Bernard Marty apporte de son côté de nouveaux éléments qui renforcent cette hypothèse. Pour leurs recherches, lui et son équipe se sont directement intéressés au suspect, une comète… Il y a du choix dans notre Système solaire mais évidemment, aucune n’a jamais été approchée d’aussi près que Tchouri, de son vrai nom 67P/Tchouryumov-Gerasimenko (67P/T-G). Pour rappel, deux années durant Rosetta l’a épié sous toutes les coutures, lui tournant autour à des distances variables jusqu’à la fin de sa mission, en septembre 2016.

Quelques mois avant qu’elle ne s’écrase, à la mi-mai 2016, la sonde européenne l’avait survolé presque en rase-motte, jusqu’à 5 km au-dessus de sa surface sombre et glacée. Un vol périlleux vivement souhaité par Kathrin Altwegg, en charge de l’instrument Rosina (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis) et qui, comme on peut l’imaginer, avait donné des sueurs froides aux opérateurs (le risque était grand que Rosetta soit alors désorientée). Pour l’astrophysicienne de l’université de Berne, le but était bien sûr d’en profiter pour mesurer l’abondance de différents isotopes de gaz rares comme le krypton et le xénon. Résultat : ce fut un succès ! La comète a parlé.
Pourquoi s’intéresser au xénon ?
Une question s’impose : pourquoi ces archéologues du passé du Système solaire (et donc de la Terre) s’intéressent-ils autant au xénon, un gaz noble qui compte aujourd’hui pour moins d’un milliardième du volume de l’atmosphère terrestre ? Justement, parce qu’il n’interagit pas avec d’autres espèces et parce que _« le xénon est le gaz noble lourd le plus stable et peut-être le plus important en raison de ses nombreux isotopes qui proviennent de différents processus stellaires : chacun fournissant une information supplémentaire sur nos origines cosmiques »_ explique Bernard Marty.
Ainsi selon la quantité de neutrons, les chercheurs peuvent inférer de quelle fin d’étoile ils sont issus. « […] à chaque fois, à chacune de ses origines, le xénon hérite d’une signature particulière. » Les plus légers, 124Xe et 126Xe, sont formés lors d’explosion de supernova, ceux de masse intermédiaire,127Xe, 128Xe, 129Xe, 130Xe131Xe et 132Xe quant à eux, ils proviennent du lent déclin en géante rouge d’étoiles de masse comprises 0,6 et 10 fois celles du Soleil. Et enfin, les plus lourds,134Xe et 136Xe, sont le produit de la fusion de deux étoiles à neutrons.
Les premiers n’ont pas pu être relevés sur le noyau de la comète car en trop faible quantité. En revanche, les seconds, entre 128Xe et 132Xe, ont bien été identifiés de même que les plus lourds. Toutefois, fait remarquer le chercheur, « le xénon de Tchouri est appauvri en isotopes lourds134Xe et 136Xe par rapport à celui que l’on trouve couramment dans notre Système solaire ». Celui qui a été piégé lors de la formation de la comète aurait donc « une origine exotique au Système solaire »

la Terre durant l'archéen
Illustration de la Terre à la période de l’archéen — Crédit : NASA, GSFC, Francis Reddy

Un lien de parenté entre comètes et atmosphère terrestre

Le mix des isotopes de xénon présents aujourd’hui dans notre atmosphère montre une abondance plus élevée pour les plus lourds par rapport aux légers. Mais naturellement, cela ne reflète plus le rapport qui existait dans un lointain passé, il y a plus de 3,5 milliards d’années. Une partie des plus légers s’étant évadée dans l’espace. Depuis les années 1970, les chercheurs ont donc eu recours aux simulations qui prennent en compte ces pertes. C’est la U-xénon. Celle-ci renfermait vraisemblablement une proportion en isotopes légers similaire à celle qu’on trouve dans nombre d’astéroïdes et aussi dans le vent solaire, mais les isotopes lourds étaient en quantité plus faibles. C’est pour cette raison que les astrochimistes _« ont longtemps soupçonné que le xénon dans l’atmosphère primitive de la Terre pourrait avoir une origine différente du mélange moyen de ce gaz noble trouvé dans le Système solaire »_ raconte Bernard Marty.
Encore une fois, celui-ci aurait une origine différente du reste du Système solaire, _« un appauvrissement unique »_ qu’on ne retrouve que dans les comètes et sur Terre. Ce qui renforce l’idée que ces dernières ont contribué, à cette période, à la constitution de son atmosphère. D’après les analyses de Rosina du xénon émis par le noyau cométaire, conservé dans ses glaces depuis sa formation, la part de ces astres s’élève à 22 %. Le reste ayant été apporté par les astéroïdes de la Ceinture principale.

Illustration de la nébuleuse protosolaire, il y a 4,6 milliards d’années — Crédit : ESA, CC BY-SA IGO 3.0

Des disparités dans la nébuleuse primitive

Cela pointe une inhomogénéité de la nébuleuse protosolaire déjà mise en évidence à travers de précédentes recherches avec Rosina quant aux mélanges d’isotopes de silicium. _« Cette conclusion est conforme aux mesures antérieures effectuées par Rosetta, y compris les détections inattendues de l’oxygène moléculaire (O2), du disoufre (S2) et le rapport élevé du deutérium-hydrogène observé dans l’eau de la comète »_ rappelle Kathrin Altwegg.
Enfin le chercheur du Centre de recherches pétrographiques et géochimiques et son équipe expliquent qu’il n’y a pas de contradiction entre ces résultats et ceux qui excluent les comètes pour l’origine de l’eau terrestre. Parce que les quantités de xénon, sont infiniment plus faibles relativement à toute l’eau des océans… Les comètes ont pu avoir un effet sur l’atmosphère sans pour autant influencer significativement la composition de l’eau.

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