Une équipe de recherche internationale a étudié la composition isotopique des planètes rocheuses du système solaire interne.
Terre et Mars ont été formés à partir de matériaux provenant en grande partie du système solaire interne ; seulement quelques pour cent des éléments constitutifs de ces deux planètes sont originaires d’au-delà Jupiter‘s orbite. Un groupe de chercheurs dirigé par le Université de Munster (Allemagne) rapportent ces résultats le 22 décembre 2021 dans la revue Avancées scientifiques. Ils présentent la comparaison la plus complète à ce jour de la composition isotopique de la Terre, de Mars et des matériaux de construction vierges du système solaire interne et externe. Une partie de ce matériau se trouve encore aujourd’hui en grande partie inchangée dans les météorites. Les résultats de l’étude ont des conséquences de grande envergure pour notre compréhension du processus qui a formé les planètes Mercure, Vénus, la Terre et Mars. La théorie postulant que les quatre planètes rocheuses ont atteint leur taille actuelle en accumulant des galets de poussière de la taille d’un millimètre provenant du système solaire externe n’est pas défendable.
Il y a environ 4,6 milliards d’années, aux premiers jours de notre système solaire, un disque de poussière et de gaz tournait autour du jeune Soleil. Deux théories décrivent comment, au cours de millions d’années, les planètes rocheuses intérieures se sont formées à partir de ce matériau de construction original. Selon l’ancienne théorie, la poussière dans le système solaire interne s’est agglomérée en morceaux de plus en plus gros atteignant progressivement approximativement la taille de notre Lune. Les collisions de ces embryons planétaires ont finalement produit les planètes intérieures Mercure, Vénus, Terre et Mars. Une théorie plus récente, cependant, préfère un processus de croissance différent : des « cailloux » de poussière de la taille d’un millimètre ont migré du système solaire externe vers le Soleil. En chemin, ils se sont accrétés sur les embryons planétaires du système solaire interne et les ont progressivement agrandis jusqu’à leur taille actuelle.
Les quatre planètes telluriques : Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Crédit : NASA/Institut lunaire et planétaire
Les deux théories sont basées sur des modèles théoriques et des simulations informatiques visant à reconstruire les conditions et la dynamique du système solaire primitif ; les deux décrivent un chemin possible de formation de planètes. Mais lequel a raison ? Quel processus a réellement eu lieu ? Pour répondre à ces questions, dans leur étude actuelle, des chercheurs de l’Université de Münster (Allemagne), de l’Observatoire de la Côte d’Azur (France), du California Institute of Technology (USA), du Natural History Museum Berlin (Allemagne) et l’Université libre de Berlin (Allemagne) a déterminé la composition exacte des planètes rocheuses Terre et Mars.
«Nous voulions savoir si les éléments constitutifs de la Terre et de Mars provenaient du système solaire externe ou interne», explique le Dr Christoph Burkhardt de l’Université de Münster, premier auteur de l’étude. À cette fin, les isotopes des métaux rares titane, zirconium et molybdène trouvés en traces infimes dans les couches externes riches en silicate des deux planètes fournissent des indices cruciaux. Les isotopes sont des variétés différentes du même élément, qui ne diffèrent que par le poids de leur noyau atomique.
Les météorites comme référence
Les scientifiques supposent qu’au début du système solaire, ces isotopes et d’autres métaux n’étaient pas répartis uniformément. Au contraire, leur abondance dépendait de la distance du Soleil. Ils détiennent donc des informations précieuses sur l’origine, dans le système solaire primitif, des éléments constitutifs d’un certain corps.
Comme référence pour l’inventaire isotopique original du système solaire externe et interne, les chercheurs ont utilisé deux types de météorites. Ces morceaux de roche ont généralement trouvé leur chemin vers la Terre à partir de la ceinture d’astéroïdes, la région située entre les orbites de Mars et de Jupiter. Ils sont considérés comme des matériaux en grande partie vierges depuis les débuts du système solaire. Alors que les soi-disant chondrites carbonées, qui peuvent contenir jusqu’à quelques pour cent de carbone, sont apparues au-delà de l’orbite de Jupiter et n’ont été déplacées que plus tard dans la ceinture d’astéroïdes en raison de l’influence des géantes gazeuses en croissance, leurs cousines plus pauvres en carbone, les chondrites non carbonées , sont de vrais enfants du système solaire interne.
La moraine d’éléphant de météorite martienne (EETA) 79001. Les scientifiques ont examiné ces météorites martiennes et d’autres dans l’étude. Crédit NASA/JSC
La composition isotopique précise des couches rocheuses externes accessibles à la Terre et celle des deux types de météorites ont été étudiées pendant un certain temps ; cependant, il n’y a pas eu d’analyses aussi complètes des roches martiennes. Dans leur étude actuelle, les chercheurs ont maintenant examiné des échantillons d’un total de 17 météorites martiennes, qui peuvent être attribuées à six types typiques de roche martienne. De plus, les scientifiques ont étudié pour la première fois l’abondance de trois isotopes métalliques différents.
Les échantillons de météorites martiennes ont d’abord été réduits en poudre et soumis à un prétraitement chimique complexe. Utilisation d’un multicollecteur plasma spectromètre de masse à l’Institut de Planétologie de l’Université de Münster, les chercheurs ont alors pu détecter d’infimes quantités d’isotopes de titane, de zirconium et de molybdène. Ils ont ensuite effectué des simulations informatiques pour calculer le rapport dans lequel les matériaux de construction trouvés aujourd’hui dans les chondrites carbonées et non carbonées doivent avoir été incorporés à la Terre et à Mars afin de reproduire leurs compositions mesurées. Ce faisant, ils ont considéré deux phases différentes d’accrétion pour tenir compte de l’histoire différente des isotopes du titane et du zirconium ainsi que des isotopes du molybdène, respectivement. Contrairement au titane et au zirconium, le molybdène s’accumule principalement dans le noyau planétaire métallique. Les infimes quantités que l’on trouve encore aujourd’hui dans les couches externes riches en silicates ne peuvent donc avoir été ajoutées qu’au cours de la toute dernière phase de croissance de la planète.
Les résultats des chercheurs montrent que les couches rocheuses externes de la Terre et de Mars ont peu de points communs avec les chondrites carbonées du système solaire externe. Ils ne représentent qu’environ quatre pour cent des éléments constitutifs d’origine des deux planètes. « Si la Terre primitive et Mars avaient principalement accrété des grains de poussière du système solaire externe, cette valeur devrait être presque dix fois plus élevée », explique le professeur Thorsten Kleine de l’Université de Münster, qui est également directeur de l’Institut Max Planck pour Recherche sur le système solaire à Göttingen. “Nous ne pouvons donc pas confirmer cette théorie de la formation des planètes intérieures”, ajoute-t-il.
Matériau de construction perdu
Mais la composition de la Terre et de Mars ne correspond pas non plus exactement au matériau des chondrites non carbonées. Les simulations informatiques suggèrent qu’un autre type de matériau de construction différent doit également avoir été en jeu. « La composition isotopique de ce troisième type de matériau de construction, telle qu’inférée par nos simulations informatiques, implique qu’il doit provenir de la région la plus interne du système solaire », explique Christoph Burkhardt. Étant donné que les corps si proches du Soleil n’ont presque jamais été dispersés dans la ceinture d’astéroïdes, ce matériau a été presque complètement absorbé par les planètes intérieures et ne se trouve donc pas dans les météorites. « C’est, pour ainsi dire, un ‘matériau de construction perdu’ auquel nous n’avons plus d’accès direct aujourd’hui », explique Thorsten Kleine.
La découverte surprenante ne change pas les conséquences de l’étude pour la théorie de la formation des planètes. “Le fait que la Terre et Mars contiennent apparemment principalement des matériaux du système solaire interne correspond bien à la formation des planètes à partir des collisions de grands corps dans le système solaire interne”, conclut Christoph Burkhardt.
Référence : « Terrestrial planet formation from lost inner solar system material » par Christoph Burkhardt, Fridolin Spitzer, Alessandro Morbidelli, Gerrit Budde, Jan H. Render, Thomas S. Kruijer et Thorsten Kleine, 22 décembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126/sciadv.abj7601
