Une équipe de recherche internationale a étudié la composition isotopique des planètes rocheuses du système solaire interne


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  • La Terre et Mars ont été formées à partir de matériaux provenant en grande partie du système solaire interne ; seuls quelques pour cent des éléments constitutifs de ces deux planètes ont pris naissance au-delà de l’orbite de Jupiter. Un groupe de chercheurs dirigé par l’Université de Münster (Allemagne) rapporte ces résultats aujourd’hui dans la revue Avancées scientifiques. Ils présentent la comparaison la plus complète à ce jour de la composition isotopique de la Terre, de Mars et des matériaux de construction vierges du système solaire interne et externe. Une partie de ce matériau se trouve encore aujourd’hui en grande partie inchangée dans les météorites. Les résultats de l’étude ont des conséquences considérables pour notre compréhension du processus qui a formé les planètes Mercure, Vénus, la Terre et Mars. La théorie postulant que les quatre planètes rocheuses ont atteint leur taille actuelle en accumulant des cailloux de poussière de taille millimétrique provenant du système solaire externe n’est pas tenable.

    Il y a environ 4,6 milliards d’années, aux débuts de notre système solaire, un disque de poussière et de gaz tournait autour du jeune Soleil. Deux théories décrivent comment, au cours de millions d’années, les planètes rocheuses intérieures se sont formées à partir de ce matériau de construction original. Selon l’ancienne théorie, la poussière dans le système solaire interne s’est agglomérée en morceaux de plus en plus gros atteignant progressivement approximativement la taille de notre Lune. Les collisions de ces embryons planétaires ont finalement produit les planètes intérieures Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Une théorie plus récente, cependant, préfère un processus de croissance différent : des « cailloux » de poussière de taille millimétrique ont migré du système solaire externe vers le Soleil. En cours de route, ils se sont accrétés sur les embryons planétaires du système solaire interne et, petit à petit, les ont agrandis jusqu’à leur taille actuelle.

    Les deux théories sont basées sur des modèles théoriques et des simulations informatiques visant à reconstruire les conditions et la dynamique du système solaire primitif ; les deux décrivent un chemin possible de formation planétaire. Mais lequel a raison ? Quel processus a réellement eu lieu ? Pour répondre à ces questions, dans leur étude actuelle, des chercheurs de l’Université de Münster (Allemagne), de l’Observatoire de la Côte d’Azur (France), du California Institute of Technology (USA), du Natural History Museum Berlin (Allemagne) et l’Université libre de Berlin (Allemagne) a déterminé la composition exacte des planètes rocheuses Terre et Mars. « Nous voulions savoir si les éléments constitutifs de la Terre et de Mars provenaient du système solaire externe ou interne », explique le Dr Christoph Burkhardt de l’Université de Münster, premier auteur de l’étude. À cette fin, les isotopes des métaux rares que sont le titane, le zirconium et le molybdène trouvés en traces infimes dans les couches externes riches en silicate des deux planètes fournissent des indices cruciaux. Les isotopes sont différentes variétés d’un même élément, qui ne diffèrent que par le poids de leur noyau atomique.

    Les météorites comme référence

    Les scientifiques supposent qu’au début du système solaire, ces isotopes métalliques et d’autres n’étaient pas uniformément répartis. Au contraire, leur abondance dépendait de la distance du Soleil. Ils détiennent donc des informations précieuses sur l’origine des éléments constitutifs d’un certain corps dans le système solaire primitif.

    Comme référence pour l’inventaire isotopique original du système solaire externe et interne, les chercheurs ont utilisé deux types de météorites. Ces morceaux de roche trouvaient généralement leur chemin vers la Terre depuis la ceinture d’astéroïdes, la région située entre les orbites de Mars et de Jupiter. Ils sont considérés comme un matériau en grande partie vierge depuis les débuts du système solaire. Alors que les chondrites dites carbonées, qui peuvent contenir jusqu’à quelques pour cent de carbone, sont originaires au-delà de l’orbite de Jupiter et ne se sont déplacées que plus tard dans la ceinture d’astéroïdes en raison de l’influence des géantes gazeuses en croissance, leurs cousines plus appauvries en carbone, les chondrites non carbonées , sont de vrais enfants du système solaire interne.

    La composition isotopique précise des couches rocheuses externes accessibles de la Terre et celle des deux types de météorites sont étudiées depuis un certain temps; cependant, il n’y a pas eu d’analyses comparables complètes des roches martiennes. Dans leur étude actuelle, les chercheurs ont maintenant examiné des échantillons d’un total de 17 météorites martiennes, qui peuvent être attribuées à six types typiques de roche martienne. De plus, les scientifiques ont pour la première fois étudié les abondances de trois isotopes métalliques différents.

    Les échantillons de météorites martiennes ont d’abord été réduits en poudre et soumis à un prétraitement chimique complexe. À l’aide d’un spectromètre de masse à plasma multicollecteur de l’Institut de planétologie de l’Université de Münster, les chercheurs ont ensuite pu détecter de minuscules quantités d’isotopes de titane, de zirconium et de molybdène. Ils ont ensuite effectué des simulations informatiques pour calculer le rapport dans lequel les matériaux de construction trouvés aujourd’hui dans les chondrites carbonées et non carbonées doivent avoir été incorporés dans la Terre et Mars afin de reproduire leurs compositions mesurées. Ce faisant, ils ont considéré deux phases d’accrétion différentes pour tenir compte de l’histoire différente des isotopes du titane et du zirconium ainsi que des isotopes du molybdène, respectivement. Contrairement au titane et au zirconium, le molybdène s’accumule principalement dans le noyau planétaire métallique. Les infimes quantités que l’on trouve encore aujourd’hui dans les couches externes riches en silicate ne peuvent donc avoir été ajoutées qu’au cours de la toute dernière phase de croissance de la planète.

    Les résultats des chercheurs montrent que les couches rocheuses externes de la Terre et de Mars ont peu en commun avec les chondrites carbonées du système solaire externe. Ils ne représentent qu’environ quatre pour cent des blocs de construction d’origine des deux planètes. « Si la Terre et Mars primitives avaient principalement accumulé des grains de poussière du système solaire externe, cette valeur devrait être presque dix fois plus élevée », déclare le professeur Thorsten Kleine de l’Université de Münster, qui est également directeur de l’Institut Max Planck pour Recherche sur le système solaire à Göttingen. « Nous ne pouvons donc pas confirmer cette théorie de la formation des planètes intérieures », ajoute-t-il.

    Matériaux de construction perdus

    Mais la composition de la Terre et de Mars ne correspond pas non plus exactement au matériau des chondrites non carbonées. Les simulations informatiques suggèrent qu’un autre type de matériau de construction doit également avoir été en jeu. « La composition isotopique de ce troisième type de matériau de construction, telle que déduite par nos simulations informatiques, implique qu’il doit provenir de la région la plus interne du système solaire », explique Christoph Burkhardt. Étant donné que les corps d’une telle proximité avec le Soleil n’ont presque jamais été dispersés dans la ceinture d’astéroïdes, ce matériau a été presque complètement absorbé dans les planètes intérieures et ne se produit donc pas dans les météorites. « Il s’agit, pour ainsi dire, de ‘matériaux de construction perdus’ auxquels nous n’avons plus accès directement aujourd’hui », déclare Thorsten Kleine.

    La découverte surprenante ne change pas les conséquences de l’étude pour la théorie de la formation des planètes. « Le fait que la Terre et Mars contiennent apparemment principalement des matériaux du système solaire interne correspond bien à la formation de planètes à partir des collisions de grands corps dans le système solaire interne », conclut Christoph Burkhardt.

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