Collecte de poussières cosmiques au centre de l’Antarctique

Avant que la vie n’émerge sur Terre, avant la formation des planètes et du Soleil, de la poussière parcourait déjà les immensités interstellaires. La poussière est présente partout dans l’univers. La Terre est continuellement soumise à une pluie de poussières cosmiques qui tombent, de jour comme de nuit, sur terre comme dans les océans. La grande difficulté est de parvenir à les identifier, à les distinguer de la poussière terrestre. Les scientifiques les recherchent dans les neiges et les glaces des pôles afin de les analyser pour comprendre les différentes étapes de formation de notre système solaire.

Les poussières cosmiques naissent dans les enveloppes d’étoiles. D’immenses vents stellaires éjectent ces poussières dans le milieu environnant. Les éléments chimiques contenus dans ces poussières dépendent de la masse de leurs étoiles mères, mais, une fois livrées à elles-mêmes dans les immensités interstellaires, ces poussières de différentes origines se mélangent avec les molécules gazeuses pour former une sorte de cocktail cosmique à partir duquel de nouvelles générations d’étoiles et de planètes naissent.

Représentation d’artiste du Soleil entouré de sa nébuleuse, un nuage de gaz et de poussières dans lequel vont se former les planètes du système solaire

Représentation d’artiste du Soleil entouré de sa nébuleuse, un nuage de gaz et de poussières dans lequel vont se former les planètes du système solaire.

© NASA / Artsiom P - stock.adobe.com

Il y a 4,6 milliards d’années, dans un endroit calme et froid de la Voie lactée, notre galaxie, un nuage de gaz et de poussières s’est effondré sur lui-même. Notre étoile est née dans le cœur dense de ce nuage. Durant quelques millions d’années, autour du jeune Soleil, les restes de ce nuage ont formé un disque de gaz et de poussières, un disque protoplanétaire, au sein duquel les planètes ont grandi. Dans ce disque, les poussières atteignent quelques microns à quelques millimètres. Puis ces poussières interplanétaires se sont rapidement agglomérées pour former des objets de plus en plus gros. Ainsi sont apparus les premiers astéroïdes, les premières comètes, les premiers planétésimaux, qui, plus tard, formeront les planètes que nous connaissons aujourd’hui. En étudiant la poussière interplanétaire, nous recherchons les briques élémentaires de cette construction, qui nous permettent de comprendre l’origine et l’évolution des planètes. La quasi-totalité des matériaux solides et gazeux qui constituaient le disque protoplanétaire a aujourd’hui disparu, avalée par le Soleil. La mémoire de ces temps anciens, de la genèse même du système solaire, a ainsi été perdue. Une infime partie de ces matériaux initiaux a pourtant survécu dans les petits corps du système solaire, les astéroïdes et les comètes. Les astéroïdes et les comètes présentent un intérêt considérable : ils n’ont pas fondu et leurs constituants nous renseignent sur la matière qui était présente dans le disque protoplanétaire lors de leur formation.

La collecte de poussières cosmiques : dans l’espace… et sur Terre

Échantillons récoltés sur Ryugu par Hayabusa2

Échantillons récoltés sur Ryugu par Hayabusa2

© JAXA

Ces dernières années, différentes missions spatiales internationales ont été lancées vers des petits corps du système solaire. La mission américaine Stardust (NASA) a rapporté en 2006 des poussières capturées lors du survol de la comète 81P/Wild 2. En 2014, c’est au tour de la mission européenne Rosetta (ESA) d’étudier les poussières et les gaz d’une autre comète, 67P/ Churyumov-Gerasimenko. Tout récemment, la mission japonaise Hayabusa 2 (JAXA) vient de ramener sur Terre des poussières de la surface de l’astéroïde carboné (162173) Ryugu. En 2023, la mission américaine OSIRIS-Rex (NASA) rapportera des poussières de la surface d’un autre astéroïde carboné, (101955) Bennu. L’ampleur de ces efforts internationaux illustre l’intérêt scientifique majeur des échantillons astéroïdaux et cométaires.

Les poussières interplanétaires voyagent à grande vitesse. Lorsqu’elles rencontrent l’atmosphère de notre planète, à plusieurs dizaines de km/s, elles chauffent un long tube de gaz sur leur passage, ce qui donne naissance au phénomène des étoiles filantes. Certaines sont totalement détruites, volatilisées, lors de leur entrée atmosphérique, une autre partie survit, ralentit et atteint la surface terrestre sous forme de micrométéorites. Cette poussière tombe partout sur Terre. Il est possible d’en trouver au fond des océans, dans des sédiments, sur les toits de nos villes mais, dans la plupart des cas, cette composante extraterrestre se trouve rapidement noyée parmi ses consœurs terrestres.

À la fin du XIXe siècle, le géologue russo-finlandais Adolf Erik Nordenskjöld note que, le 1er janvier 1869, « des poussières météoritiques sont tombées, en même temps que les météorites proprement dites, à Hessel près d’Upsal ». Il est le premier à comprendre l’intérêt des régions polaires pour la collecte de poussières extraterrestres. À partir des années 1980, les premières collectes polaires de grande ampleur ont lieu au Groenland puis en Antarctique, sous l’impulsion de Michel Maurette (CNRS) et Claus Hammer (NBI, Copenhague). Isolé par de vastes océans, l’Antarctique occupe à la surface de notre planète une position singulière. C’est un continent remarquablement préservé des poussières terrestres, un endroit où il est possible de mesurer le flux de micrométéorites.

Micrographie électronique d'une micrométéorite Concordia extraite des neiges antarctiques

Micrographie électronique d'une micrométéorite Concordia extraite des neiges antarctiques 

© CNRS - MNHN

Depuis plus de 20 ans, grâce au soutien logistique et financier de l’Institut polaire français Paul-Émile Victor (IPEV), une équipe réunissant le CNRS, le Muséum national d’Histoire naturelle, Sorbonne Université et l’université Paris-Saclay mène un programme de recherche de micrométéorites sur le site de la station scientifique Concordia, à Dôme C. Située sur les hauts plateaux au centre du continent antarctique, la station Concordia (75 °S, 123 °E) est à plus de 1 000 km des côtes de Terre-Adélie. À une altitude de 3 200 m au-dessus du niveau de la mer, la neige de surface de Dôme C est totalement isolée du lit rocheux par quelques kilomètres de glace. Les vents dominants soufflent de l’intérieur vers l’extérieur du continent, ce qui fait des régions centrales une sorte d’immense salle blanche naturelle, limitant ainsi toute contamination par des poussières terrestres. À Dôme C, les micrométéorites se trouvent, dès leur chute, piégées dans une couche de neige à très basse température. Elles ne subissent pas de contrainte mécanique et, la température de la neige restant très basse et stable (autour de −50 °C à 5 mètres de profondeur), elles ne subissent pas d’altération aqueuse significative. Il s’agit là d’un site exceptionnel pour la collecte de poussières extraterrestres.

Plus de 5 200 tonnes de poussières extraterrestres sur Terre chaque année !

En fondant et en filtrant des tonnes de neige ultra propre suivant un protocole strict, l’équipe a collecté plusieurs dizaines de milliers de micrométéorites dans un état de conservation inégalé. Le taux d’accumulation de neige à Dôme C étant particulièrement faible et régulier, il est possible d’en déduire avec précision la surface de collecte des particules et ainsi d’estimer leur flux en masse par unité de surface et de temps (µg.m-2.an-1). Ce travail, effectué dans le cadre d’une collaboration internationale, a permis de mesurer la distribution en taille des particules extraterrestres comprises entre 20 µm et 200 µm. Extrapolé à l’ensemble de notre planète, le flux total annuel de micrométéorites représente 5 200 tonnes/an (dont 1 600 tonnes/an de particules qui n’ont que très peu ou pas fondu lors de leur entrée atmosphérique et 3 600 tonnes/an de micrométéorites fondues appelées sphérules cosmiques). Il s’agit du principal apport de matière extraterrestre sur notre planète, loin devant celui des objets de plus grande taille (les météorites), dont le flux est de l’ordre d’une dizaine de tonnes par an. Grâce aux modèles théoriques d’entrée atmosphérique, les données de la collection de micrométéorites Concordia permettent d’estimer que le flux total de micrométéorites avant entrée atmosphérique est d’environ 15 000 tonnes/an, une valeur compatible avec celle déduite des cratères d’impact observés sur les panneaux du satellite artificiel Long Duration Exposure Facility (LDEF) de la NASA. Environ deux tiers de ce flux se trouve volatilisé à l’entrée atmosphérique.

Collecte de micrométéorites dans les régions centrales antarctiques, 2002 (prélèvement neige)

© CNRS / J. Duprat - C. Engrand

La comparaison des données de la collection Concordia avec les modèles dynamiques d’évolution de la poussière interplanétaire indique que l’essentiel des micrométéorites (environ 80 %) provient de comètes (le reste provenant des astéroïdes). Cet apport de matière cométaire et astéroïdale a existé tout au long de l’histoire de notre planète, leur flux était bien plus élevé lorsque la Terre était jeune et le système solaire encore en formation. Les micrométéorites se sont formées très tôt dans l’histoire de notre système solaire. Elles ont pu jouer un rôle important pour l’apport, sur la jeune Terre, de molécules probiotiques et d’eau, des ingrédients essentiels à l’émergence de la vie sur notre planète.

Aussi loin que nous pouvons regarder dans le temps et l’espace, de la poussière voyage. Elle a parcouru des mondes anciens, aujourd'hui disparus, des enveloppes d’étoiles massives, les profondeurs de nuages interstellaires, les mouvements turbulents de disques autour d’étoiles en formation, les surfaces d’objets glacés. Les poussières cosmiques franchissent des distances phénoménales, elles transportent les briques élémentaires à partir desquelles se formeront puis évolueront des mondes nouveaux.

Jean Duprat, Chercheur en cosmochimie au CNRS. Extrait de l'ouvrage La Terre, le vivant, les humains (Coédition MNHN / La Découverte), 2022. 

La Terre, le vivant, les humains

  • Coédition Muséum national d'Histoire naturelle / La Découverte
  • 2022
  • Sous la direction de Jean-Denis Vigne et Bruno David
  • 196 × 249 mm
  • 420 pages
  • 45 €

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