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Nouvelles scientifiques

 

Paris, le 11 octobre 2005

 

Genèse du système solaire : de nouvelles perspectives grâce aux étranges grains d'une météorite

 

Des chercheurs du CNRS (INSU, IN2P3, et département des Sciences chimiques) et du Muséum national d'histoire naturelle ont découvert, dans une météorite primitive, des grains d'une nouvelle famille de matériaux extra-terrestres aux compositions surprenantes, susceptibles d'apporter des éléments nouveaux sur la formation et la composition du système solaire. Ce résultat a fait l'objet d'une publication parue dans la revue Nature le 15 septembre.

 

Et si un simple changement de proportions en oxygène pouvait remettre en question notre compréhension de la synthèse des "briques" du système solaire primitif ? L'oxygène est un constituant majeur des roches et du gaz du système solaire. Il possède trois isotopes, l'oxygène 16O (8 protons et 8 neutrons) étant près de 1000 fois plus abondant que le 17O et le 18O (respectivement 1 et 2 neutrons de plus). Dans les météorites primitives qui n'ont jamais subi les processus géologiques conduisant aux planètes, la composition isotopique de l'oxygène nous renseigne sur l'origine des premiers solides du système solaire et sur leur mode de formation. L'écrasante majorité des objets du système solaire ont une composition isotopique d'oxygène identique à quelques pour cent près à celle du Soleil, ce qui nous indiq ue qu'ils se sont formés par condensation d'un gaz solaire isotopiquement homogène. Pourtant, au sein de certaines météorites, quelques grains de tailles infimes (inférieurs à 1 millième de millimètre) peuvent présenter des compositions qui diffèrent fortement de celle du Soleil : ce sont des grains formés autour d'étoiles ayant vécu avant la formation de notre système solaire. Dans le milieu interstellaire, ils ont transporté la signature nucléaire du site stellaire où ils ont été synthétisés (géantes rouges, novae, supernovae…), avant d'être incorporés dans le jeune système solaire en formation, il y a 4,56 milliards d'années. Découverts il y a plus de 15 ans, ils ont été baptisés "grains présolaires", et leur étude permet de comprendre le fonctionnement des étoiles et l'origine des éléments dans notre galaxie.

Les équipes du CNRS (INSU, IN2P3, et département des Sciences chimiques) et du Muséum national d'histoire naturelle ont découvert, dans la météorite de Murchison (une météorite primitive tombée en 1969 en Australie), une nouvelle famille de matériaux extra-terrestres possédant des compositions isotopiques d'oxygène extrêmement surprenantes : ces grains contiennent proportionnellement près de 100 fois plus de 17O et de 18O que la matière solaire normale. Un tel écart par rapport à la composition solaire est supérieur à tous ceux observé à ce jour dans des grains présolaires et aucun processus de nucléosynthèse stellaire classique ne peut les expliquer. Ces compositions, les plus extrêmes connues dans notre galaxie, n'ont été observées auparavant qu'une seule fois dans du gaz en orbite autour d'une géante rouge de ce fait dite "anormale" (HR4049). Ces grains sont des grains riches en silice (ils sont constitués presque uniquement de silicium et d'oxygène) et représentent près d'un millionième de la météorite totale. Ils possèdent deux spécificités uniques : d'une part ils sont formés d'un mélange d'oxygène de composition isotopique extrême et d'oxygène de composition isotopique solaire, et d'autre part leur silicium possède une composition isotopique solaire. Une première hypothèse consisterait à dire que, lors de sa formation, le jeune Soleil a croisé la route d'une géante rouge anormale semblable à HR4019 et que cette étoile a ensemencé le système solaire. Cependant, cette hypothèse soulève de nombreuses questions sur l'environnement immédiat de notre étoile lors de sa formation ainsi que sur la nucléosynthèse dans les géantes rouges, laquelle ne permet pas d'expliquer les compositions que nous observons.

Cette situation énigmatique a amené les équipes du CNRS à proposer une explication alternative : la condensation, dans le jeune système solaire, d'un réservoir d'oxygène "anormal" (de composition isotopique extrême) produit par irradiation. Les observations d'étoiles jeunes de masse solaire ont montré que la plupart d'entre elles possèdent un disque de gaz et de poussières en orbite autour d'elles. Au cours de leur formation, elles passent par un stade très actif associé à une intense émission de rayons X et à des éjections violentes de matière appelées jets moléculaires. Lors de cette phase agitée, le jeune Soleil a pu produire d'intenses flux de particules légères (des noyaux d'hydrogène et d'hélium) accélérées à haute énergie (environ 10 % de la vitesse de la lumière) et donc susceptibles d'induire des réactions nucléaires avec le gaz environnant. L'irradiation d'un gaz de composition solaire par de telles particules produit un réservoir de noyaux d'oxygène présentant des compositions isotopiques semblables à celles observées dans les grains de la météorite de Murchison. Placé dans un environnement riche en monoxyde de silicium, un gaz couramment observé dans les jets moléculaires des étoiles similaires au Soleil en formation, ce réservoir d'oxygène a ensuite pu se condenser sous forme de grains riches en silice. Le modèle proposé permet d'expliquer à la fois les compositions isotopiques d'oxygène et de silicium de ces grains et leur mode de formation. Dans le cadre de cette approche, il est donc possible que des grains de compositions isotopiques très exotiques se soient formés au sein même du système solaire jeune.
Ce modèle apporte des informations clés pour l'étude des poussières cosmiques : une composition isotopique extrême ne suffit plus à prouver que les grains concernés sont des grains interstellaires formés autour d'autres étoiles. Ces résultats suggèrent que les réactions nucléaires dues à l'irradiation peuvent non seulement produire une partie des radioactivités (maintenant éteintes) observées dans les météorites mais aussi, s'il existe une voie de condensation spécifique des noyaux produits, changer drastiquement la composition isotopique des éléments majeurs du système solaire comme l'oxygène qui est le troisième élément le plus abondant dans l'Univers. Enfin, ces observations suggèrent que les jets moléculaires autour des étoiles jeunes ont pu jouer un rôle essentiel dans la synthèse des matériaux planétaires.

Contact chercheur

  • Jean Duprat (IN2P3) ,Tél : 01 69 15 52 83
  • Jérome Aléon (INSU)
  • François Robert (MNHN), Tél : 01 40 79 35 38

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