La mesure difficile mais réussie de plusieurs isotopes du gaz noble xénon sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko à l'aide de l'instrument bernois ROSINA sur la sonde Rosetta montre que des matériaux sont arrivés sur Terre en raison des impacts de comètes. Comme le prouvent d'autres mesures de Berne des isotopes du silicium, au début notre système solaire était extrêmement hétérogène. La grande quantité d'eau dite « lourde » montre également que la glace cométaire est plus ancienne que notre système solaire.

Le xénon est un incolore, gaz inodore qui représente bien moins d'un millionième du volume de l'atmosphère terrestre entière. En tant que gaz noble, il réagit rarement avec d'autres éléments et a donc un état atomique relativement stable. Il s'agit donc d'une représentation relativement précise des conditions qui existaient lors de la formation de notre système solaire. Le xénon peut également aider à répondre à la question séculaire sur les comètes :la matière sur Terre provient-elle des impacts de comètes et si oui, dans quelle mesure ?

Une équipe de recherche dirigée par Kathrin Altwegg au Centre for Space and Habitability (CSH) de l'Université de Berne a pu montrer que la composition du xénon sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko est très similaire au "xénon indigène" posé pour la première fois 40 il y a des années, qui est arrivé sur notre planète de l'au-delà peu de temps après la formation de notre système solaire. Ces mesures, qui sera désormais publié dans Science , montrent qu'environ un cinquième du xénon indigène provient des comètes. Cela signifie que pour la première fois, nous pouvons établir un lien quantitatif entre les comètes et l'atmosphère terrestre.

Empreinte stellaire

Le xénon est formé dans de nombreux processus stellaires différents, y compris les explosions de supernova. Chacun de ces phénomènes conduit à une distribution typique des isotopes du xénon, une "empreinte digitale" spécifique. En raison de ses nombreux isotopes provenant de divers processus stellaires, Le xénon donne une indication importante des matériaux indigènes qui composent notre système solaire. Les isotopes du xénon ont été mesurés dans les atmosphères de la Terre et de Mars, dans des météorites provenant d'astéroïdes, sur Jupiter et dans le vent solaire – le flux de particules chargées du soleil. La composition du xénon dans l'atmosphère terrestre a plus d'isotopes lourds que légers, car les isotopes légers peuvent s'échapper du champ gravitationnel terrestre dans l'espace. En corrigeant cet effet, des chercheurs des années 1970 ont calculé la composition originale de ce gaz noble, le soi-disant xénon indigène qui dominait autrefois l'atmosphère terrestre. Ce xénon indigène contient beaucoup moins d'isotopes lourds et la composition des isotopes légers est égale à celle du xénon provenant des astéroïdes et du soleil. On croyait donc que le xénon indigène de l'atmosphère primitive de la Terre avait une origine différente de celle des objets observés à l'époque dans le système solaire. Ceci est maintenant confirmé par les mesures de ROSINA sur la sonde Rosetta de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, un "fossile" glacé du début du système solaire.

Mission difficile

"La recherche de xénon sur les comètes a probablement été l'une des mesures les plus importantes et les plus difficiles de ROSINA", dit Kathrin Altwegg, Chef de projet ROSINA au Centre for Space and Habitability (CSH) de l'Université de Berne. "Le fait que nous ayons résolu une partie d'un mystère vieux de 40 ans en le faisant le rend d'autant plus gratifiant". Le xénon est extrêmement rare dans l'atmosphère déjà mince de la comète. La sonde Rosetta a donc dû voler très près de la comète pendant des semaines – à 7 à 10 km du centre – afin que ROSINA puisse capter un signal suffisant pour une mesure claire des sept isotopes les plus courants. Le risque était que le nuage de poussière dense entourant la comète ait déclenché le système de navigation de la sonde. ROSINA a réussi à identifier sept isotopes du xénon ainsi que divers autres gaz rares. L'analyse des données a montré que le xénon cométaire qui a été gelé lors de la formation de la comète diffère de la composition trouvée dans le système solaire ainsi que de la composition trouvée aujourd'hui dans l'atmosphère terrestre. La composition du xénon cométaire est probablement égale à celle du xénon indigène supposé dans l'atmosphère primitive de la Terre. Cependant, il existe certaines différences entre les deux compositions, ce qui amène les chercheurs à croire que le xénon d'origine provient en partie des comètes et en partie des astéroïdes :« Pour la première fois, nous avons pu établir un lien quantitatif entre les comètes et l'atmosphère terrestre - selon de l'original de la terre, le xénon atmosphérique provient des comètes, tandis que le reste vient des astéroïdes" résume Altwegg.

Pas de contradiction avec l'eau

Ces résultats ne contredisent pas la mesure isotopique de ROSINA dans l'eau de la comète qui était significativement différente de celle de l'eau indigène. Comme le xénon n'est disponible qu'à l'état de traces dans l'atmosphère alors que la Terre contient de grandes quantités d'eau dans les océans et l'atmosphère, les comètes auraient certainement pu contribuer au xénon trouvé sur Terre sans trop changer l'eau indigène. "Les découvertes sur le xénon soutiennent également l'idée que la matière organique est arrivée sur Terre par le biais de comètes - comme le phosphore et l'acide aminé glycine qui ont tous deux été trouvés sur la comète par ROSINA - ce qui était potentiellement crucial pour l'évolution de la vie sur Terre", explique Altwegg. Finalement, la différence entre le xénon cométaire et le xénon trouvé dans le système solaire indique que la nébuleuse dite protosolaire qui a conduit à la formation du soleil, planètes et petits corps, était un endroit chimiquement assez hétérogène. "Cela confirme les mesures antérieures de ROSINA telles que la découverte inattendue de l'oxygène moléculaire (O2) ou du soufre moléculaire (S2)", explique Altwegg.

La deuxième publication confirme les résultats

Dans une autre publication, un groupe de recherche dirigé par Martin Rubin (CSH) a pu montrer que le silicium sur la comète ne montre pas le rapport isotopique moyen de notre système solaire. Les données de ROSINA montrent ainsi que la matière du système solaire primitif provient de diverses étoiles prédécesseurs. Comme pour le xénon, cela signifie que la composition chimique du système solaire primitif était hétérogène, donc pas "uniformément" mélangé comme on le croyait auparavant. La deuxième publication paraît dans Astronomie et astrophysique . ROSINA avait déjà découvert des atomes de silicium dans l'enveloppe gazeuse de la comète au début de la mission. Ces atomes de silicium ont été projetés hors de la surface de la comète par le vent solaire impactant. Une analyse précise de Martin Rubin du CSH a maintenant montré que les isotopes du silicium présentent également une anomalie par rapport au silicium solaire. Les isotopes lourds du silicium sont moins courants que le mélange trouvé près du soleil et des météorites. Cela suggère que les comètes se sont formées dans une zone de la nébuleuse protosolaire qui montre une composition chimique non solaire – et a donc potentiellement pris du matériel d'une autre étoile ou supernova à proximité.

Même l'eau cométaire vient de l'au-delà

Une troisième publication également publiée récemment prouve définitivement avec l'utilisation des isotopes de l'hydrogène que l'eau cométaire – dite eau « lourde » (D2O) – s'est formée avant la formation du système solaire et a été gelée sous forme de glace pré-solaire dans les comètes. Ces résultats ont été publiés dans une édition spéciale de "Philosophical Transaction of the Royal Society, Londres".

"Nos résultats dans les trois études ont rempli l'objectif principal de la mission Rosetta, à savoir trouver des indications quantitatives de la formation de la terre et de notre système solaire pour la première fois », explique Altwegg.