Le Monde de Cathy-Exobiologie

L’apport de molécules carbonées aux planètes telluriques par des
particules cométaires poreuses présentes dans le nuage zodiacal

Anny-Chantal Levasseur-Regourd (1), Jérémie Lasue (2) - aclr@aerov.jussieu.fr
1)UPMC / LATMOS-IPSL, BC 102, 4§-46 4ème, 4 place Jussieu, 75252 Paris cedex 05
2) Lunar and Planetary Institute, 3600 Bay Area Blvd, Houston, TX 77058, USA

Résumé de la présentation fourni par la conférencière. Il a été suggéré, en appliquant la théorie de l’ablation météoritique [1] à des agrégats fractals, que la structure poreuse des poussières cométaires favorisait la survie de molécules organiques complexes lors de la traversée de l’atmosphère par ces particules solides [2]. Lors du grand bombardement tardif, une quantité très significative de matériau organique aurait ainsi pu atteindre les planètes telluriques. Cette hypothèse est renforcée par des résultats récents obtenus au niveau des comètes et du nuage zodiacal. Les particules solides cométaires sont, pour une grande partie d’entre elles, des agrégats floconneux, certainement formés par agglomération balistique entre amas, comme le suggèrent les images des poussières collectées par Stardust dans la coma de 81P/Wild 2 [3], en excellent accord avec les simulations numériques des observations polarimétriques des comètes 1P/Halley et C/1995 O1 Hale-Bopp [4]. Cette structure, qui accroît le rapport surface/volume des particules, contribue à leur rapide décélération dans l’atmosphère, tout en diminuant la température maximale atteinte par le matériau constitutif et en favorisant la survie de matière organique complexe. Les particules cométaires contribuent encore aujourd’hui majoritairement au repeuplement du nuage zodiacal, comme l’indiquent les simulations numériques des propriétés de diffusion lumineuse et des propriétés thermiques du nuage interplanétaire [5, 6] et aussi les modèles dynamiques [7]. Les composés organiques absorbants sont par ailleurs susceptibles de survivre dans le nuage interplanétaire au moins jusqu’à 0,7 UA du Soleil [6]. Les prochaines avancées dans l’exploration du milieu interplanétaire et des comètes, en particulier avec les missions Akatsuki, EPOXI, NEXT et Rosetta, permettront de mieux connaître les propriétés des molécules carbonées d’origine cométaire et de mieux quantifier leur apport aux planètes telluriques.

Références
[1] Jones, J, Kaiser, T.R. (1966) Mon. Not. R. Astron. Soc., 133, 411
[2] Levasseur-Regourd, A.C., Lasue, J., Desvoivres, E. (2006) Orig. Life Biosph., 36, 507
[3] Hörz, F., Bastien, R., Borg, J. et al. (2006) Science, 314, 1716
[4] Lasue, J., Levasseur-Regourd, A.C., Hadamcik, E. et al. (2009) Icarus, 199, 129
[5] Levasseur-Regourd, A.C., Mukai, T., Lasue, J. et al. (2007) Planet. Space Sci. 55, 1010
[6] Lasue, J., Levasseur-Regourd, A.C., Fray, N., Cottin, H. (2007) Astron. Astrophys., 473, 641
[7] Nesvorny, D., Jenniskens, P., Levison, H.F. et al. (2010) Astrophys. J., 713, 816

4/ Si l'on ignore encore la date à laquelle la vie a émergé sur Terre, la communauté scientifique s'accorde à dire cependant qu'elle est présente au moins depuis la fin du Grand Bombardement Tardif (LHB, Late Heavy Bombardment) au cours duquel de nombreux petits corps glacés ont été précipités dans le système solaire interne. Cette seconde période de la Terre qui a succédé à l'Hadéen (4,567 - 3,8 Ga, milliards d'années) tient d'ailleurs son nom, Archéen (3,8 - 2,5 Ga), de Archaea, des organismes unicellulaires dont l'origine remonte à la nuit des temps (au moins 3,5 Ga), mais sont toujours bien vivants. Anny-Chantal Levasseur-Regourd se demande s'il s'agit d'une coïncidence, ou bien si les chutes de poussières cométaires riches en molécules organiques complexes qui se sont produites en grande quantité lors du LHB ont joué un rôle décisif dans cet avènement. En effet, grâce à une instrumentation de plus en plus performante, l'attention se focalise depuis une trentaine d'années sur ces objets très petits, encore très nombreux à l'heure actuelle, et qui présentent des propriétés tout à fait étonnantes et intéressantes. - Photo : Archaea Halobacterium salinarium. -

Il faut savoir que la Terre évolue au sein d'un nuage très diffus de poussières qui sont réparties dans un volume en forme de lentille centrée sur le Soleil et très allongée autour du plan de l'écliptique. On peut l'apercevoir en début ou en fin de nuit sous la forme d'une lumière zodiacale. Son spectre est identique à celui du Soleil, néanmoins, une partie de la lumière du Soleil est absorbée par les particules de poussière et ré-émise sous forme de radiation infrarouge. Cette émission induit une lente spirale des particules vers le Soleil, connue sous le nom d'effet Poynting-Robertson, ce qui implique qu'une source continue de particules est nécessaire afin d'entretenir la lumière zodiacale, probablement en provenance des comètes et des astéroïdes. - Photo : Lumière zodiacale, vue de l'observatoire du Cerro Paranal, Chili. -

En effet, les comètes qui gravitent dans les confins du système solaire peuvent être déstabilisées. On en voit alors quitter leur orbite et plonger vers l'intérieur du système solaire de façon parfois récurrente. Constituées d'un mélange de glaces et de poussières, leur passage près du Soleil provoque une élévation de température qui entraîne la sublimation massive des glaces et injecte dans l'espace interplanétaire un mélange de gaz et de grains cométaires. La comète de Halley est la plus connue, car elle revient avec une périodicité relativement courte de 76 ans. Elle a été la première à être survolée en 1986 par les sondes Vega 1 et 2, avec un spectromètre de masse embarqué PUMA, puis par la sonde Giotto avec le PIA (Particle Impact Analyzer pour mesurer la composition chimique et la masse des particules de poussière cométaire). La comète Hale-Bopp, découverte le 23 juillet 1995, a été la plus observée du XXe siècle. L'une des plus brillantes depuis beaucoup de décennies, elle a été visible à l'œil nu pendant 18 mois. Son observation intensive par les astronomes pendant son passage au périhélie a permis diverses avancées scientifiques importantes. Ils ont d'abord constaté que, sous la pression des radiations solaires, des atomes de sodium étaient expulsés de la tête de la comète et formaient une troisième queue entre celle des poussières qui suivait sensiblement l'itinéraire de l'orbite de la comète, et celle des gaz pointant directement à l'opposé du Soleil. Deuxièmement, l'abondance de deutérium (isotope de l'hydrogène 2H ou D) sous forme d'eau lourde était le double de celle des océans terrestres. En supposant que cette abondance soit typique de toutes les comètes, ceci indiquerait que les impacts de comètes ne peuvent pas être l'unique source de l'eau sur Terre. - Photo : Comète de Halley photographiée par la sonde Giotto. - Comète Hale-Bopp, peu après son passage au périhélie (avril 1997) -

Troisièmement, le deutérium a été aussi détecté dans de nombreux autres composés hydrogénés de la comète, selon un rapport à l'hydrogène léger variable d'un composé à l'autre. Ceci pourrait suggérer que les glaces de la comète ont été formées dans les nuages interstellaires, plutôt que dans la nébuleuse solaire, à des températures très basses de 25 à 45 K (0 kelvin = -273,15°Celsius, c'est le zéro absolu). Les observations spectroscopiques ont révélé la présence de nombreux composés organiques, dont certains n'avaient jamais été détectés sur des comètes précédemment : le monoxyde de soufre (SO), le dioxyde de soufre (SO2), l'acide formique (HCOOH), le formamide (NH2CHO) le cyanoacétylène (HC3N), le formiate de méthyle (HCOOCH3) et l'éthanal (CH3CHO). On y a même découvert de l'antigel (éthylène glycol, de formule chimique HOCH2CH2OH) ! C'est la molécule organique la plus complexe identifiée à ce jour dans une comète, et qui est aussi présente dans les nuages interstellaires du Centre galactique. Les observations ont également confirmé la présence d'acide isocyanique (HNCO) et sulfide carbonyl (OCS), déjà identifiés un an auparavant dans la comète Hyakutake, ce qui porte à deux douzaines le nombre de molécules identifiées dans les comètes. - Photo : L'un des spectres observés à l'IRAM montrant trois raies de l'éthylène glycol et les raies d'autres molécules organiques. -

En décembre 2003, la sonde de la NASA Stardust collecte des échantillons de la coma de la comète Wild 2 (retournés sur Terre à l'aide d'un module dédié). Le 4 juillet 2005, la comète Tempel 1 est percutée par l'impacteur de la sonde américaine Deep Impact de façon à en analyser la surface d'après ses éjectats. Tempel 1 sera de nouveau survolée le 14 février 2011 par la sonde Stardust. Ces missions confirment que les poussières ne sont pas seulement constituées de silicates, mais aussi de composés organiques 'CHON' (carbone, hydrogène, oxygène, azote). La très faible densité des échantillons de Stardust est confirmée sur le gel de la "raquette" spatiale par les traces typiques d'impacts de particules en agrégats (plutôt que compactes). La structure fragile et poreuse des poussières avait par ailleurs déjà été perçue par les observations antérieures en spectroscopie à distance. - Image (microscopie électronique) de 4 cratères d’impact dans l’aérogel de Stardust -

Anny-Chantal Levasseur-Regourd rappelle que cette structure floconneuse a été découverte dès 1986 pendant le survol de la comète de Halley par la sonde Giotto qui était équipée de toute une gamme d'instruments. Elle mentionne l'OPE -'Optical Probe Experiment' qui mesurait la luminosité de la poussière et du gaz dans la coma- et DID -'Dust Impact Detector System' qui mesurait l'impact des particules de poussière cométaire sur le bouclier protecteur de Giotto-. L'OPE a permis de mesurer un albédo de 0,4. Il s'agit du rapport de l'énergie solaire réfléchie par une surface à l'énergie solaire incidente : un corps noir parfait, qui absorberait toutes les ondes électromagnétiques sans en réfléchir aucune, aurait un albédo nul, tandis qu'un miroir parfait, qui réfléchirait toutes les ondes électromagnétiques sans en absorber une seule, aurait un albédo égal à 1. Sur Terre, c'est le sable léger et sec qui s'apparente le plus aux poussières cométaires, avec un albédo compris entre 0,25 et 0,45. Par contre, avec une masse volumique de 100 kg/m3, ces particules s'avèrent bien moins denses qu'un sable utilisé comme matériau de construction et dont la masse volumique est comprise entre 1 400 et 1 600 kg/m³. La vérité du terrain a été apportée en 2003 par les échantillons collectés par Stardust sur Wild 2, qui révélaient une proportion de 35% d'agrégats.

Onde lumineuse avec champ magnétique B et champ électrique E à angle droit l'un de l'autre (dans le cas d'une polarisation rectiligne).

Toutefois, étant donné le coût et la difficulté de telles expéditions dans l'espace, les scientifiques doivent se contenter la plupart du temps d'observations à distance, par le biais d'instruments qui analysent la lumière renvoyée par les poussières. L'étude de sa polarimétrie donne des informations intéressantes sur leur structure. Dans la coma de poussières (et le nuage interplanétaire), le milieu est optiquement mince, avec des poussières orientées aléatoirement. Eclairées par le Soleil, elles diffusent une lumière partiellement polarisée linéairement, avec une onde électromagnétique oscillant préférentiellement perpendiculairement ou parallèlement au plan de diffusion (Schéma ci-dessus). La chercheuse calcule P, grandeur sans dimension, telle que P = (Z1 - Z) / (Z1 + Z) et elle compare les résultats obtenus, soit sur un objet à différentes distances (R, delta) et angles de phase (alpha), soit sur différents objets. P varie avec l'angle de phase alpha et la longueur d'onde lambda des observations, ainsi que selon les propriétés des poussières (taille, morphologie, structure, indice).

Ces observations polarimétriques sont transcrites sous forme de courbes. Le premier graphique ci-dessus montre la variation de l'angle de phase alpha pour une certaine longueur d'onde lambda observée : . Les données suivent des courbes lisses. Elles sont typiques de la diffusion de la lumière par des particules irrégulières de taille supérieure ou égale au micron (millième de millimètre). Le second graphique (ci-contre) représente la variation de la longueur d'onde pour un angle de phase déterminé : . Les courbes obtenues sont quasi linéaires au dessus de 30° (au moins dans le visible). Enfin, l'imagerie met en évidence des variations de P pour un angle de phase alpha et une longueur d'onde lambda fixes, ce qui indique la présence de poussières aux propriétés différentes dans un 'halo' proche du noyau, dans des structures en forme de jets.

Pour savoir interpréter les observations, il faut procéder à des simulations numériques. Avec l'hypothèse pour la comète Hale-Bopp d'une structure composée de grains compacts (ellipsoïdes) et d'agrégats fractals comprenant des 'Silicates' (1,62+0,03i) et des 'composés organiques' (1,88+0,1i) de dimension comprise entre 0,1 micron et 20 microns, on obtient une distribution de 40-65% silicates et 60-35% organiques. Ces résultats sont en excellent accord avec les observations en UV (ultraviolet) et IR (infrarouge). Parallèlement, on procède à des simulations expérimentales avec des particules en suspension, au sol ou en pesanteur réduite, qui offrent également un excellent accord (en 2 Lambda) pour un mélange d'agrégats (Mg=SiO2 & C) et de grains compacts (Mg-SiO2).

Pour effectuer des observations polarimétriques du nuage de poussière interplanétaire, il est nécessaire d'inverser les données, ce qui est possible au voisinage de l'écliptique où l'on n'a pas d'information sur la longueur d'onde lambda. On obtient des résultats locaux : des courbes de phase alpha lisses pour une valeur du rayon solaire R comprise entre 0,1 et 1,5 UA (unité astronomique), une variation en fonction du rayon solaire R, et donc de la température et du temps , et enfin une évolution thermique (avec les données infrarouges) . Pour interpréter les observations, on effectue des simulations numériques avec le modèle utilisé pour les comètes en faisant l'hypothèse de particules de taille comprise entre 0,1 et 100 microns, d'une composition de 75-50% silicates et 25-50% organiques avec au moins 20% d'agrégats. On obtient ainsi comme résultat que la contribution cométaire est de 50% à 100% en masse. D'autre part, cette configuration fait ressortir une décroissance P(R) par dégradation thermique de composés organiques (ex. polymères de HCN).

Note sur les schémas et graphiques : Anny-Chantal Levasseur-Regourd, comme les autres intervenants du colloque, fait une synthèse de sa branche de recherche, et pas seulement de son propre travail. Elle utilise donc aussi des données réunies par Jochen Kissel (Max-Planck-Institut fur Extraterrestrische Physik, Giessenbachstrasse, D-85740 Garching / Germany), David Nesvorný (Southwest Research Institute, Department of Space Studies, Boulder, Colorado 80302, USA), Edith Hadamcik (Latmos), Jérémie Lasue, Service d’aéronomie France, et plus globalement celles du LATMOS (Laboratoire Atmosphères, Milieux, Observations Spatiales), qui est une nouvelle unité de recherche, créée le 1er janvier 2009, et ayant pour organismes de tutelle le CNRS, l'Université de Versailles Saint-Quentin en Yvelines (UVSQ) et l'Université Pierre et Marie Curie (UPMC). Il regroupe les activités antérieurement développées par le Service d'Aéronomie et par plus de la moitié du CETP. Il fait partie de l'Observatoire des Sciences de l'Univers de l'UVSQ et de la Fédération de recherche IPSL (Institut Pierre Simon Laplace).

Pour conclure, Anny-Chantal Levasseur-Regourd récapitule les connaissances sur les poussières interplanétaires. A l'heure actuelle, le nuage zodiacal tend à se déverser dans le Soleil (effet Poyntin-Roberson) ou bien à s'échapper vers l'extérieur sous la pression du rayonnement solaire. Dans l'hypothèse où il reste toutefois stationnaire, il faut supposer qu'il existe une source permanente d'approvisionnement en poussières, qui ne peuvent provenir que des comètes (essaims météoritiques) et des astéroïdes (météorites). Les résultats ci-dessus confortent l'importance de la contribution cométaire, en accord avec l'étude des propriétés orbitales et de l'évolution dynamique qui suggère que plus de 90% des poussières sont d'origine cométaire (Nesvorny et al. ApJ., 2010). Par contre, il y a 4 milliards d'années, lors du grand bombardement primordial (LHB), le nuage interplanétaire était 10 000 fois plus dense, et essentiellement constitué de petits corps glacés (i.e. noyaux cométaires) chassés de la région Uranus-Neptune.

La réduction drastique de la quantité de poussières cométaires depuis le LHB fournit des arguments en faveur de l'hypothèse de l'apport de composés carbonés aux planètes telluriques. En effet, il a dû y avoir une extrême abondance de molécules carbonées dans des particules à structure poreuse lors du LHB. Pendant leur chute à travers l'atmosphère, il s'est produit une ablation météoritique accompagnée d'un transfert de chaleur (en prenant pour hypothèse de calcul une vitesse de la Terre de 30 km/s) : la chaleur intense provoquée par le frottement des gaz atmosphériques a fait fondre la surface de la météorite, lui faisant perdre 30 à 60% de sa masse initiale. Cette ablation s'est produite plus bas dans l'atmosphère pour les particules sphéroïdales (97 km) ou les agrégats fractals (93 km) que pour des sphères (101 km). La taille des particules arrivant au sol était donc plus grande pour les sphéroïdes et les agrégats (jusqu'à 15 nanomètres) que pour des sphères (4,7 nanomètres). Les particules irrégulières ou les agrégats ayant une chance égale à fois plus grande de survie que des sphères, n'étaient-ils pas les vecteurs idéaux pour l'apport de composés carbonés ? Des observations sont faites actuellement par la sonde japonaise Akatsuki IR2 (ou Planet-C) qui atteindra Vénus en décembre 2010 (technique du sondage optique en 1,65 micron). D'autres résultats sur la poussière cométaire sont attendus des prochaines expéditions : Deep Impact-EPOXI, 4 novembre 2010, survol de Hartley 2, Stardust-NEXT, 14 février 2011, survol de Tempel 1, Rosetta, 2014-201, rendez-vous avec 67P/Churyumov Gerasimenko.

Remarque : Une confirmation de cette hypothèse a été apportée en mai 2010 par l'équipe de Jean Duprat et Cécile Engrand du CSNSM. Des micro-météorites collectées en Antarctique ont révélé un état de préservation remarquable. Parmi celles-ci ont été trouvées des micrométéorites ultra carbonées (particules de taille inférieure à 1 millimètre contenant de 50 à 80 % de matière carbonée). Ces particules d'environ 0,1 millimètre sont sans équivalent dans les collections de matière extraterrestre disponibles en laboratoire à ce jour. Les analyses par microscopie électronique en transmission ont montré que ces micrométéorites sont constituées d'une matière organique très peu altérée contenant de petits assemblages de minéraux. L'analyse par microsonde ionique a révélé que sa composition isotopique de l'hydrogène présente des rapports deutérium/hydrogène (D/H) exceptionnellement élevés (environ 10 fois supérieurs à la valeur des océans terrestres). L'ensemble de ces résultats indique que ces particules proviennent très probablement des corps les plus lointains du système solaire, les comètes. - Photo : Micrométéorite ultra carbonée retrouvée à proximité de la station CONCORDIA (Antarctique) observée en microscopie électronique à balayage. -

Photo : Stromatolites du Lac Thetis, Western Australia.

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