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High precision isotopic measurements of heavy elements in extra-terrestrial materials: origin and age of the solar system volatile element depletion

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De nouvelles techniques de pointe lèvent le voile sur les origines du système solaire

En mesurant les éléments volatils dans les matériaux extraterrestres, les scientifiques approfondissent leurs connaissances sur la formation de la Terre, de la Lune et même de notre eau.

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Les scientifiques ne cessent d’enrichir l’une des plus grandes histoires jamais contées: les origines de notre système solaire. Comprendre comment les corps planétaires s’y sont formés permettra non seulement de satisfaire notre curiosité, mais contribuera également à la recherche d’autres mondes habitables dans l’Univers. Les éléments volatils – des substances chimiques qui se retrouvent facilement sous forme gazeuse, comme l’hydrogène, le dioxyde de carbone et l’eau – constituent l’un des facteurs clés à cet égard. Les éléments volatils jouent un rôle majeur dans les processus fonctionnels d’une planète et sont essentiels au développement de la vie. Sur Terre, ils déterminent les caractéristiques physiques des roches et le mouvement du manteau, et contribuent à générer notre champ magnétique. Un projet financé par l’UE, PRISTINE, a mis au point une nouvelle méthode permettant de mieux comprendre ces éléments volatils. Au lieu de mesurer l’abondance des éléments volatils, l’équipe PRISTINE analyse leurs isotopes – des atomes d’un même élément chimique présentant une masse légèrement différente. Les isotopes se développent au fil du temps et des changements physiques et chimiques subis par leur environnement. Leur analyse peut donc mettre en évidence des processus qui se sont produits dans le passé. PRISTINE s’est concentré sur les rapports isotopiques dans les échantillons extraterrestres collectés lors de précédentes missions spatiales. Le projet a déjà permis de mieux comprendre l’origine de la Lune. Une théorie dominante postule que la Lune s’est formée à la suite d’une collision entre la Terre primitive et une autre petite planète. «Grâce à nos données, nous pouvons avancer pour la première fois qu’à la suite de cet événement, la Lune a dû perdre ses éléments volatils, et que ces derniers sont probablement retombés sur la Terre», explique Frédéric Moynier, cosmochimiste à l’université de Paris.

De nouvelles techniques de détection des éléments volatils

L’équipe a fait appel à une série d’instruments de pointe connus sous le nom de spectromètres de masse à plasma à couplage inductif multi-collecteur, qui analyse les rapports isotopiques. «Dans ces types de spectromètres de masse, les éléments sont ionisés dans un plasma d’argon, séparés électromagnétiquement, et leur abondance est ensuite mesurée», explique Frédéric Moynier. L’une des difficultés réside dans le fait que les scientifiques ne doivent injecter que l’élément requis dans le dispositif. Ils doivent donc utiliser des méthodes chimiques pour extraire l’élément pur des échantillons et écarter le reste. L’équipe a mis au point des méthodes permettant d’analyser les rapports isotopiques de métaux volatils tels que le zinc et le rubidium dans des échantillons prélevés sur la Lune et la Terre. «Nous avons démontré que l’épuisement des éléments volatils de la Lune a dû se produire au cours d’un processus d’évaporation à grande échelle. En d’autres termes, le matériau qui a formé la Lune possédait des éléments volatils, et les a perdus lors de sa création», explique-t-il.

Un nouveau projet pour aller plus loin

Ces résultats font considérablement progresser notre compréhension de la formation de la Lune, mais de nombreuses questions demeurent sans réponse. «Nous avons par exemple suggéré que les éléments volatils de la Lune étaient retombés sur Terre, mais ce n’est pas un mécanisme anodin. Nous travaillons maintenant avec des collègues qui réalisent des modélisations astrophysiques pour répondre à cette question», ajoute-t-il. PRISTINE s’est achevé, mais Frédéric Moynier va approfondir ses recherches grâce à une nouvelle subvention du Conseil européen de la recherche. Le prochain projet, METAL, tentera de dresser un tableau encore plus complet des débuts du système solaire. «Une fois que nous saurons comment les planètes du système solaire ont acquis leurs éléments volatils, nous pourrons appliquer cette méthode aux planètes extrasolaires», précise Frédéric Moynier. Ces travaux sont d’autant plus passionnants qu’on attend de nouvelles images en provenance du télescope spatial James Webb, récemment lancé par la NASA, et qu’on dispose d’échantillons comme ceux recueillis sur l’astéroïde Ryugu par des scientifiques japonais.

Mots‑clés

PRISTINE, Lune, Terre, système, solaire, origine, volatile, formation, espace, planètes, eau

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