Illustration d'artiste du système solaire primitif, à une époque où aucune planète ne s'était encore formée. Un nuage tourbillonnant de gaz et de poussière entourait le jeune soleil. La coupe à travers ce disque dit protoplanétaire montre sa structure tridimensionnelle. Crédit :Heather Roper
Une équipe de recherche dirigée par l'Université de l'Arizona a reconstitué avec des détails sans précédent l'histoire d'un grain de poussière qui s'est formé lors de la naissance du système solaire il y a plus de 4,5 milliards d'années. Les résultats donnent un aperçu des processus fondamentaux qui sous-tendent la formation des systèmes planétaires, dont beaucoup sont encore entourés de mystère.
Pour l'étude, l'équipe a développé un nouveau type de framework, qui combine la mécanique quantique et la thermodynamique, simuler les conditions auxquelles le grain a été exposé lors de sa formation, lorsque le système solaire était un disque tourbillonnant de gaz et de poussière connu sous le nom de disque protoplanétaire ou nébuleuse solaire. En comparant les prédictions du modèle à une analyse extrêmement détaillée de la composition chimique et de la structure cristalline de l'échantillon, avec un modèle de la façon dont la matière a été transportée dans la nébuleuse solaire, a révélé des indices sur le voyage du grain et les conditions environnementales qui l'ont façonné en cours de route.
Le grain analysé dans l'étude est l'une de plusieurs inclusions, connues sous le nom d'inclusions riches en calcium-aluminium, ou CAI, découvert dans un échantillon de la météorite d'Allende, qui est tombé sur l'État mexicain de Chihuahua en 1969. Les CAI sont d'un intérêt particulier car on pense qu'ils sont parmi les premiers solides qui se sont formés dans le système solaire il y a plus de 4,5 milliards d'années.
Semblable à la façon dont les tampons d'un passeport racontent l'histoire du voyage et des arrêts d'un voyageur en cours de route, les structures à l'échelle micro et atomique des échantillons déverrouillent un enregistrement de leur histoire de formation, qui étaient contrôlés par les environnements collectifs auxquels ils étaient exposés.
"Pour autant que nous sachions, notre article est le premier à raconter une histoire d'origine qui offre des indices sur les processus probables qui se sont produits à l'échelle des distances astronomiques avec ce que nous voyons dans notre échantillon à l'échelle des distances atomiques, " a déclaré Tom Zega, professeur au Laboratoire lunaire et planétaire de l'Université de l'Arizona et premier auteur de l'article, Publié dans Le Journal des sciences planétaires.
Zega et son équipe ont analysé la composition des inclusions incrustées dans la météorite à l'aide de microscopes électroniques à transmission à balayage à résolution atomique de pointe, dont un à l'installation d'imagerie et de caractérisation des matériaux Kuiper de l'Arizona, et son microscope frère situé à l'usine Hitachi à Hitachinaka, Japon.
Une coupe à travers une météorite Allende révèle diverses particules sphériques, connu sous le nom de chondres. L'"île" de forme irrégulière à gauche du centre est une inclusion riche en calcium-aluminium, ou CAI. Le grain dans cette étude a été isolé d'un tel CAI. Crédit :Shiny Things/Wikimedia Commons
Les inclusions se sont avérées constituées principalement de types de minéraux appelés spinelle et pérovskite, qui se produisent également dans les roches sur Terre et sont à l'étude comme matériaux candidats pour des applications telles que la microélectronique et le photovoltaïque.
Des types similaires de solides se produisent dans d'autres types de météorites appelées chondrites carbonées, qui intéressent particulièrement les planétologues car ils sont connus pour être des vestiges de la formation du système solaire et contiennent des molécules organiques, y compris ceux qui ont pu fournir les matières premières pour la vie.
L'analyse précise de la disposition spatiale des atomes a permis à l'équipe d'étudier en détail la composition des structures cristallines sous-jacentes. A la surprise de l'équipe, certains des résultats étaient en contradiction avec les théories actuelles sur les processus physiques considérés comme actifs à l'intérieur des disques protoplanétaires, les incitant à creuser plus profondément.
"Notre défi est que nous ne savons pas quelles voies chimiques ont conduit à l'origine de ces inclusions, " Zega a déclaré. "La nature est notre bécher de laboratoire, et cette expérience a eu lieu des milliards d'années avant notre existence, dans un environnement complètement étranger."
Zega a déclaré que l'équipe avait entrepris de "rétro-ingénierie" la composition des échantillons extraterrestres en concevant de nouveaux modèles qui simulaient des processus chimiques complexes, auxquels les échantillons seraient soumis à l'intérieur d'un disque protoplanétaire.
"De tels modèles nécessitent une convergence intime d'expertise couvrant les domaines de la science planétaire, la science des matériaux, sciences minérales et microscopie, c'est ce que nous avons décidé de faire, " a ajouté Krishna Muralidharan, co-auteur de l'étude et professeur agrégé au Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'UArizona.
Illustration de l'histoire dynamique que la particule modélisée a pu connaître lors de la formation du système solaire. L'analyse des structures à l'échelle micro et atomique de la particule et sa combinaison avec de nouveaux modèles simulant des processus chimiques complexes dans le disque ont révélé son possible parcours au cours de nombreuses orbites autour du soleil (encadré et diagramme à droite). Originaire non loin de l'endroit où la Terre se formerait, le grain a été transporté dans l'intérieur, régions plus chaudes, et finalement échoué dans les régions plus froides. Crédit :Heather Roper/Tom Zega et al.
Sur la base des données que les auteurs ont pu extraire de leurs échantillons, ils ont conclu que la particule s'est formée dans une région du disque protoplanétaire non loin de l'endroit où se trouve actuellement la Terre, puis fait un voyage plus près du soleil, où il faisait de plus en plus chaud, seulement pour inverser le cours plus tard et se laver dans des régions plus fraîches plus éloignées du jeune soleil. Finalement, il a été incorporé dans un astéroïde, qui plus tard s'est brisé en morceaux. Certaines de ces pièces ont été capturées par la gravité terrestre et sont tombées sous forme de météorites.
Les échantillons pour cette étude ont été prélevés à l'intérieur d'une météorite et sont considérés comme primitifs, en d'autres termes, insensible aux influences de l'environnement. On pense que ce matériau primitif n'a subi aucun changement significatif depuis sa formation il y a plus de 4,5 milliards d'années, ce qui est rare. Que des objets similaires se produisent dans l'astéroïde Bennu, dont des échantillons seront renvoyés sur Terre par la mission OSIRIS-REx dirigée par l'UArizona en 2023, ça reste à voir. Jusque là, les scientifiques s'appuient sur des échantillons qui tombent sur Terre via des météorites.
"Ce matériau est notre seul enregistrement de ce qui s'est passé il y a 4,567 milliards d'années dans la nébuleuse solaire, " a déclaré Venkat Manga, co-auteur de l'article et professeur adjoint de recherche au département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Arizona. « Pouvoir regarder la microstructure de notre échantillon à différentes échelles, jusqu'à la longueur des atomes individuels, c'est comme ouvrir un livre."
Les auteurs ont déclaré que des études comme celle-ci pourraient rapprocher les scientifiques planétaires d'un "grand modèle de formation des planètes" - une compréhension détaillée de la matière se déplaçant autour du disque, de quoi il est composé, et comment il donne naissance au soleil et aux planètes.
Des radiotélescopes puissants comme le Large Millimeter/submillimeter Array d'Atacama, ou ALMA, au Chili permettent désormais aux astronomes de voir les systèmes stellaires à mesure qu'ils évoluent, dit Zega.
"Peut-être qu'à un moment donné, nous pourrons regarder dans des disques en évolution, et ensuite nous pouvons vraiment comparer nos données entre les disciplines et commencer à répondre à certaines de ces très grandes questions, " dit Zega. " Ces particules de poussière se forment-elles là où nous pensons qu'elles se sont formées dans notre propre système solaire ? Sont-ils communs à tous les systèmes stellaires ? Devrions-nous nous attendre au schéma que nous voyons dans notre système solaire - des planètes rocheuses proches de l'étoile centrale et des géantes gazeuses plus loin - dans tous les systèmes ?
"C'est une période vraiment intéressante pour être un scientifique alors que ces domaines évoluent si rapidement, " a-t-il ajouté. " Et c'est génial d'être dans une institution où les chercheurs peuvent former des collaborations transdisciplinaires parmi les plus grands spécialistes de l'astronomie, départements des sciences planétaires et des matériaux de la même université.
