Publié le 10 janvier 2018
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 La comète Tchouri, vues de près. CC BY-SA

On n’a pas l’habitude de considérer la poussière comme un matériau précieux. À moins qu’elle ne provienne de l’espace… Et plus précisément de la comète Tchouri : la publication, à la toute fin de l’année 2017, de résultats concernant la composition de ces poussières cométaires ont apporté de précieuses informations sur cet objet céleste, et, plus globalement, sur l’histoire du Système solaire.

A l’origine de ces résultats, l’équipe scientifique responsable de l’instrument COSIMA. Il s’agit d’un spectromètre de masse embarqué à bord de la sonde spatiale européenne Rosetta, laquelle avait scruté dans ses moindres détails la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (67P ou Tchouri) d’août 2014 à septembre 2016. COSIMA a analysé des particules de poussières éjectées du noyau cométaire ce qui a permis d’étudier leur composition. Les résultats des chercheurs indiquent qu’en moyenne, la moitié de la masse de chaque particule de poussière est constituée de matière carbonée de structure essentiellement macromoléculaire ; l’autre moitié étant en majorité composée de minéraux silicatés non hydratés. En quoi ce résultat est-il important ou intéressant ? Qu’implique-t-il ? Était-ce attendu par les scientifiques ou est-ce un chamboulement total des théories en vigueur ?

Grâce à Rosetta et à ses instruments, on a pu se faire une idée plus précise de ce dont est composée Tchouri. Notamment des gaz de sa « chevelure », grâce en particulier à l’instrument ROSINA. Lors de son voyage autour du Soleil, la comète libère en continu des gaz et des poussières qui lui font comme un halo ténu. Ce phénomène s’explique par la sublimation des glaces que contient la comète : elles passent directement de l’état solide à l’état gazeux, et ce faisant, des poussières solides de très petite taille sont libérées et elles aussi entraînées dans la chevelure de la comète. ROSINA a caractérisé et quantifié les gaz de la chevelure, ainsi composés de vapeur d’eau, de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone, de dioxygène et d’une multitude de petites molécules organiques, c’est-à-dire constituées principalement de carbone, hydrogène, azote et oxygène.

D’autres instruments, comme les différentes caméras embarquées et le spectro-imageur VIRTIS ont étudié la surface de Tchouri. Les structures de cette comète sont complexes : falaises, failles, glissements de terrain, gouffres, etc. Mais surtout, elle est très sombre et très pauvre en glaces. Cette couleur lui est donnée par sa composition chimique, et, en particulier, par son contenu carboné que l’on suppose être au moins en partie à l’origine de cette teinte sombre. Pour en savoir plus sur le noyau de la comète, sachant que les glaces et les gaz ne représentent qu’une faible fraction de la matière totale, les chercheurs s’appuient entre autres sur l’analyse des grains de poussière libérés par la comète. Ils sont des échantillons représentatifs de sa composition, et l’étude de leurs caractéristiques chimiques permet d’accéder à celles du noyau de la comète.

35 000 particules collectées

L’instrument COSIMA est une sorte de mini-laboratoire physico-chimique qui avait pour tâche de collecter les particules de poussières libérées par la comète 67P, de les photographier, puis de les mesurer par un procédé d’analyse de surface appelé spectrométrie de masse à ionisation secondaire couplée à un temps de vol (TOF-SIMS). Pendant les deux années passées autour de la comète, la collecte des données s’est déroulée de manière assez inattendue pour les chercheurs et ingénieurs qui avaient conçu l’instrument il y a une vingtaine d’années. En effet, COSIMA a récolté sur ses cibles plus de 35 000 particules cométaires qui font jusqu’à 1 millimètre de diamètre pour les plus volumineuses : on s’attendait à beaucoup moins, et à infiniment plus petit.




À gauche, la surface du noyau cométaire vue par la sonde Rosetta. Les glaces condensées sous la surface s’échappent des profondeurs de la comète lorsque celle-ci est réchauffée à l’approche du Soleil. Les émissions de gaz produits entraînent avec eux de petites particules de matière qui peuvent être collectées et analysées par la sonde Rosetta. À droite, une image de COSISCOPE, le microscope de l’instrument COSIMA. Cette photo montre une cible de collecte (1 cm x 1 cm) avec de minuscules fragments du noyau, de tailles allant jusqu’au millimètre, l’ayant impactée. Toutes ces poussières sont constituées d’un mélange intime à 50/50 (en masse) de minéraux silicatés et de matériau organique.
A gauche ESA/Rosetta/MPS for OSIRIS Team, à droite : ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team., CC BY

Le travail a pu alors commencer, long et semé d’embûches. Il s’agissait d’analyser des mesures faites par spectrométrie de masse sur une partie de la collection de particules : environ 250 d’entre elles. L’ultra-porosité de ces poussières collectées quasi-intactes après éjection de la surface de la comète a peu d’équivalent dans nos laboratoires, et la maîtrise de la technique du TOF-SIMS déjà compliquée en laboratoire, s’est avérée être quasi-héroïque dans l’espace et à distance !

On a pu déduire de ces mesures la composition élémentaire de ces grains de poussière, c’est-à-dire leur contenu en leurs éléments constitutifs principaux (oxygène, carbone, silicium, fer, magnésium, sodium, azote, aluminium, calcium, etc.), ainsi que quelques informations sur la nature chimique de certaines composantes. A partir de ces données, l’équipe a montré que chaque particule de poussière cométaire (de taille allant de ~0,05 à 1 mm de diamètre) contenait en moyenne et en masse, 50 % de matière carbonée. Et cette matière était pour l’essentiel de type macromoléculaire, c’est-à-dire formée de structures de grandes dimensions mais totalement désordonné, aléatoire et complexe, l’autre moitié de la masse étant principalement composée de minéraux silicatés non hydratés.




À gauche : la composition élémentaire moyenne des particules de poussière de la comète Tchouri. À droite : la répartition moyenne en masse des minéraux et du matériau carboné dans ces poussières.
Crédit : ESA/Rosetta/MPS for COSIMA Team., CC BY

D’après les mesures, cette composition n’est pas liée à la date de collecte des particules. En d’autres termes, en moyenne, il n’y a pas de différence de composition entre les poussières éjectées par la comète avant, pendant ou après son périhélie, c’est-à-dire le moment où en août 2015, elle a été le plus proche du Soleil et où son activité a été la plus intense. La composition des poussières cométaires n’est pas non plus dépendante de leur taille ni de leur morphologie (« agrégat floconneux » ou « grain un peu plus compact »). Les particules analysées sont des petits fragments du noyau, provenant aussi bien de sa surface que des gouffres qui s’enfoncent dans les profondeurs de la comète. La composition moyenne déterminée par COSIMA reflète donc aussi très probablement la composition globale du noyau de Tchouri. L’essentiel de la matière cométaire est ainsi constitué par ce mélange intime à 50-50 en masse de minéraux et de matière carbonée solide.

Une matière primitive

Ces résultats, ainsi que ceux obtenus il y a 30 ans par un survol de la comète Halley par les sondes Giotto et Vega, prouvent que les comètes font partie des objets du Système solaire les plus riches en carbone. Les spécialistes du domaine s’en doutaient, mais on en a là enfin une preuve expérimentale directe. La valeur élevée du rapport d’abondance entre carbone et silicium mesuré par COSIMA est très proche du rapport d’abondance de ces éléments mesurés à la surface du Soleil. De plus, les silicates contenus dans la poussière de Tchouri ne montrent pas de traces notables d’altération par de l’eau liquide. Ces deux observations sont une preuve importante du caractère primitif de cette substance cométaire. Cela signifie que cette matière n’a quasiment pas été altérée ou modifiée depuis la formation de la comète. L’étudier nous fait donc remonter l’histoire jusqu’aux débuts du Système solaire, il y a près de 4,5 milliards d’années !

Les mesures de COSIMA, combinées aux observations des autres instruments de Rosetta, indiquent que la plus grande partie de la matière carbonée cométaire ne se trouve pas dans les glaces et les gaz, mais dans la poussière, sous cette forme macromoléculaire non volatile. Ce résultat va dans le même sens que les analyses de laboratoire de matériaux extra-terrestres collectés sur Terre (météorites, micrométéorites et particules de poussières interplanétaires). Toutefois, et contrairement aux poussières collectées par COSIMA, l’objet (astéroïde, comète ou autre petit corps) d’où proviennent ces matériaux est rarement identifié. Et surtout, le chauffage élevé lors de la rentrée atmosphérique altère et modifie au moins en partie leurs composantes carbonées. Les mesures in situ de COSIMA et sa collecte de poussières arrivées à faible vitesse sur ses cibles (quelques m/s, soit la vitesse de quelqu’un qui fait un footing) ont permis de totalement préserver l’information chimique. Ainsi, il est possible d’affirmer aujourd’hui que si des comètes comme Tchouri ont joué un rôle dans l’apparition de la Vie sur Terre en particulier en y apportant de la matière riche en carbone, c’est sous cette forme macromoléculaire complexe qu’elle y aura été essentiellement amenée.

Donia Baklouti, Astrochimiste, Maître de Conférences à l’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS), Université Paris Sud – Université Paris-Saclay; Anaïs Bardyn, Astrochimiste, post-doctorante au Department of Terrestrial Magnetism (DTM), Carnegie Science et Hervé Cottin, Astrochimiste, Professeur au Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques (LISA), Université Paris-Est Créteil Val de Marne (UPEC)

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.