L’équipe a résolu ce mystère à l’aide d’une chambre à vide, de nombreux lasers et d’une puissante réaction cosmique.
De temps en temps, la ceinture de Kuiper et le nuage d’Oort jettent des boules de neige galactiques composées de glace, de poussière et de roches : des restes vieux de 4,6 milliards d’années de la formation du système solaire.
Ces boules de neige – ou comme nous les connaissons, les comètes – subissent une métamorphose colorée lorsqu’elles traversent le ciel, la tête de nombreuses comètes prenant une couleur verte radieuse qui s’éclaircit à mesure qu’elles s’approchent du Soleil.
Mais étrangement, cette nuance verte disparaît avant qu’elle n’atteigne la ou les deux queues traînant derrière la comète.
Les astronomes, les scientifiques et les chimistes ont été intrigués par ce mystère pendant près d’un siècle. Dans les années 1930, le physicien Gerhard Herzberg a théorisé que le phénomène était dû à la destruction du carbone diatomique par la lumière du soleil (également connu sous le nom de dicarbone ou C2), un produit chimique créé à partir de l’interaction entre la lumière du soleil et la matière organique sur la tête de la comète – mais comme le dicarbone n’est pas stable, cette théorie a été difficile à tester.
Une nouvelle étude dirigée par UNSW Sydney, publiée le 20 décembre 2021, dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS), a finalement trouvé un moyen de tester cette réaction chimique en laboratoire – et, ce faisant, a prouvé que cette théorie vieille de 90 ans était correcte.
“Nous avons prouvé le mécanisme par lequel le dicarbone est brisé par la lumière du soleil”, explique Timothy Schmidt, professeur de chimie à l’UNSW Science et auteur principal de l’étude.
“Cela explique pourquoi la coma verte – la couche floue de gaz et de poussière entourant le noyau – se rétrécit à mesure qu’une comète se rapproche du Soleil, et aussi pourquoi la queue de la comète n’est pas verte.”
L’acteur clé au centre du mystère, le dicarbone, est à la fois très réactif et responsable de donner à de nombreuses comètes leur couleur verte. Il est composé de deux atomes de carbone collés ensemble et ne peut être trouvé que dans des environnements extrêmement énergétiques ou pauvres en oxygène comme les étoiles, les comètes et le milieu interstellaire.
Le dicarbone n’existe pas sur les comètes tant qu’elles ne s’approchent pas du Soleil. Alors que le Soleil commence à réchauffer la comète, la matière organique vivant sur le noyau glacé s’évapore et se déplace vers le coma. La lumière du soleil brise ensuite ces molécules organiques plus grosses, créant du dicarbone.
L’équipe dirigée par l’UNSW a maintenant montré qu’à mesure que la comète devient plus proche encore vers le Soleil, le rayonnement UV extrême brise les molécules de dicarbone qu’il a récemment créées dans un processus appelé «photodissociation». Ce processus détruit le dicarbone avant qu’il ne puisse s’éloigner du noyau, ce qui fait que le coma vert devient plus brillant et rétrécit – et garantit que la teinte verte ne pénètre jamais dans la queue.
C’est la première fois que cette interaction chimique est étudiée ici sur Terre.
“Je trouve incroyable que quelqu’un dans les années 1930 pense que c’est probablement ce qui se passe, jusqu’au niveau de détail du mécanisme de la façon dont cela se passait, puis 90 ans plus tard, nous le découvrons est ce qui se passe », explique Mme Jasmin Borsovszky, auteur principal de l’étude et ancien étudiant spécialisé en sciences de l’UNSW.
« Herzberg était un physicien incroyable et a remporté un prix Nobel de chimie dans les années 1970. C’est assez excitant de pouvoir prouver l’une des choses qu’il a théorisées.
Le professeur Schmidt, qui étudie le dicarbone depuis 15 ans, affirme que les résultats nous aident à mieux comprendre à la fois le dicarbone et les comètes.
« Le dicarbone provient de la décomposition de molécules organiques plus grosses congelées dans le noyau de la comète – le genre de molécules qui sont les ingrédients de la vie », dit-il.
« En comprenant sa durée de vie et sa destruction, nous pouvons mieux comprendre la quantité de matière organique qui s’évapore des comètes. Des découvertes comme celles-ci pourraient un jour nous aider à résoudre d’autres mystères spatiaux.
Un show laser pas comme les autres
Pour résoudre ce casse-tête, l’équipe devait recréer le même processus chimique galactique dans un environnement contrôlé sur Terre.
Ils y sont parvenus à l’aide d’une chambre à vide, de nombreux lasers et d’une puissante réaction cosmique.
« Nous avons d’abord dû fabriquer cette molécule trop réactive pour être stockée dans un flacon », explique le Pr Schmidt. « Ce n’est pas quelque chose que nous pourrions acheter dans les magasins.
“Nous l’avons fait en prenant une molécule plus grosse, connue sous le nom de perchloroéthylène ou C2Cl4, et en faisant exploser ses atomes de chlore (Cl) avec un laser UV à haute puissance.
Les molécules de dicarbone nouvellement fabriquées ont été envoyées à travers un faisceau de gaz dans une chambre à vide d’environ deux mètres de long.
L’équipe a ensuite dirigé deux autres lasers UV vers le dicarbone : l’un pour l’inonder de rayonnement, l’autre pour rendre ses atomes détectables. Le rayonnement a déchiré le dicarbone, envoyant ses atomes de carbone voler sur un détecteur de vitesse.
En analysant la vitesse de ces atomes se déplaçant rapidement, l’équipe a pu mesurer la force de la liaison carbone à environ un sur 20 000, ce qui équivaut à mesurer 200 mètres au centimètre près.
Mme Borsovszky dit qu’en raison de la complexité de l’expérience, il leur a fallu neuf mois avant de pouvoir faire leur première observation.
«Nous étions sur le point d’abandonner», dit-elle. « Il a fallu tellement de temps pour s’assurer que tout était précisément aligné dans l’espace et dans le temps.
« Les trois lasers étaient tous invisibles, il y avait donc beaucoup de coups de couteau dans le noir – littéralement. »
Le professeur Schmidt dit que c’est la première fois que quelqu’un observe cette réaction chimique.
“C’est extrêmement satisfaisant d’avoir résolu une énigme qui remonte aux années 30.”
Résoudre les mystères de l’espace
Il y a environ 3700 comètes connues dans le système solaire, bien que l’on soupçonne qu’il pourrait y en avoir des milliards d’autres. En moyenne, le noyau d’une comète mesure 10 kilomètres de large, mais sa coma est souvent 1000 fois plus grosse.
Les comètes brillantes peuvent offrir des spectacles spectaculaires à ceux qui ont la chance de les voir. Mais dans le passé, les comètes auraient pu faire plus que cela pour la Terre – en fait, l’une des théories sur l’origine de la vie est que les comètes ont autrefois livré les éléments constitutifs de la vie directement à notre porte.
“Cette recherche passionnante nous montre à quel point les processus dans l’espace interstellaire sont complexes”, déclare le professeur Martin van Kranendonk, astrobiologiste et géologue de l’UNSW qui n’a pas participé à l’étude.
“La Terre primitive aurait connu un fouillis de différentes molécules carbonées livrées à sa surface, permettant à des réactions encore plus complexes de se produire avant la vie.”
Maintenant que le cas de la queue verte manquante dans les comètes est résolu, le professeur Schmidt, spécialiste de la chimie spatiale, souhaite continuer à résoudre d’autres mystères spatiaux.
Ensuite, il espère étudier les bandes interstellaires diffuses : des motifs de lignes sombres entre les étoiles qui ne correspondent à aucune atome ou molécule que nous connaissons.
« Les bandes interstellaires diffuses sont un assez gros mystère non résolu », dit-il. « Nous ne savons pas pourquoi la lumière qui arrive sur Terre est souvent coupée.
“Ce n’est qu’un mystère de plus dans un énorme inventaire de choses bizarres dans l’espace que nous n’avons pas encore découvert.”
Référence : « Photodissociation of dicarbon : How nature breaks an inhabituel multiple bond » par Jasmin Borsovszky, Klaas Nauta, Jun Jiang, Christopher S. Hansen, Laura K. McKemmish, Robert W. Field, John F. Stanton, Scott H. Kable, et Timothy W. Schmidt, 20 décembre 2021, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2113315118
