Les micrométéorites des neiges antarctiques, Elena Dobrica Jeudi 4 février 2009, Centre de Spectrométrie Nucléaire et Spectrométrie de Masse (Faculté des sciences, Orsay)

Jeudi 5 février 2009. L’hiver est rude cette année et les participants au 3ème jeudi de la recherche de la saison arrivent tout à fait dans l’ambiance au CSNSM – traduisez Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse - où les attend Elena Dobrică, étudiante en thèse dans le groupe de Cécile Engrand, pour leur raconter l’histoire des micrométéorites des neiges antarctiques…

2009 a été déclarée « année mondiale de l’astronomie » par les Nations Unies et l’UNESCO. 400 ans après les premières observations de Galilée dans sa lunette astronomique, les citoyens du monde entier sont invités à regarder le ciel. Regarder, c’est ce que font beaucoup d’astrophysiciens : la lumière – qu’elle soit visible ou non - en provenance des objets célestes est leur principale source d’information. Bien sûr, ramener des échantillons dans un laboratoire au sol et pouvoir les analyser, ouvre d’autres horizons. Ce n’est cependant pas chose aisée. Les scientifiques disposent aujourd’hui d’environ 400 kg de roches lunaires rapportées par les missions Apollo et d’une centaine de microgrammes de poussière interstellaire et cométaire piégée dans les récepteurs de la sonde Stardust récupérée en 2006. Pourtant, 30.000 tonnes de matière extra-terrestre arrivent sur Terre chaque année… naturellement !

Les météorites, un cadeau du ciel

Pluie d’étoiles filantes des Perséides
© NASA

Quand on pense aux météorites, on imagine bien les gros « cailloux » qui sont tombés du ciel, laissant un cratère plus ou moins impressionnant au sol (même si des chutes qui laissent leur empreinte dans le paysage sont très rares !). On pense aussi aux « étoiles filantes », petites pierres de tailles millimétriques qui brûlent à leur entrée dans l’atmosphère. Mais on oublie l’essentiel : sur chaque m2, il tombe en moyenne chaque année une micrométéorite (soit 30.000 tonnes contre 10 tonnes seulement de météorites macroscopiques). Elles sont trop petites pour que l’on s’en aperçoive (leur taille moyenne est de 200 microns) et sont donc perdues pour la science… Sauf si on sait où aller les chercher ! On peut récolter ces pierres de l’espace dans les glaces et les neiges immaculées des pôles. Le pionnier français de cette collecte de micrométéorites est Michel Maurette, chercheur dans le même laboratoire qu’Elena, qui dès le début des années 80, organisa des collectes au Groënland. Par la suite, il préféra faire sa moisson dans l’Antarctique. En effet, les micrométéorites du Nord n’étaient pas exemptes de contamination bactérienne et subissaient une certaine altération à la fonte des neiges.

Sable glaciaire recueilli en fondant la glace sur les côtes antarctiques. Quelques micrométéorites sont entourées en vert.
© M. Maurette , CSNSM

Elena n’a pas encore eu l’occasion de participer à ces missions mais ses aînés lui ont tout raconté : l’avion pour aller jusqu’en Tasmanie, puis 10 jours de bateau pour rejoindre la base de Dumont d’Urville et enfin l’hélicoptère pour se rendre à Cap Prud’homme. Là, entre 1988 et 1998, des tonnes de glaces bleues ont été fondues – en injectant de l’eau chaude - et filtrées pour en extraire un sable glaciaire qui contient environ 20% de micrométéorites. On ne peut pas dater la chute de ces météorites car elles se sont accumulées et concentrées au cours du temps dans cette glace bleue.

Chercheurs récoltant les micrométéorites dans des tranchées de neige à Dôme C
© CSNSM

Au début des années 2000, les possibilités de séjour développées avec la construction de la station Concordia, au Dôme C au cœur du continent Antarctique, ont permis de nouvelles récoltes, cette fois-ci dans la neige. Ce site est idéal : la neige de surface est isolée des roches du continent par 3 km de glace, les précipitations sont faibles et extrêmement régulières ce qui permet de dater la chute des micrométéorites (et donc d’en connaître le flux), la température reste en dessous de -30°C toute l’année et le taux d’humidité est extrêmement faible : l’eau n’abîme donc pas les micrométéorites. Trois expéditions ont été organisées en 2000, 2002 et 2006. La technique est désormais parfaitement rodée : lors de la dernière collecte, des 24 m3 de neige filtrés ont été extraites plus de 1300 micrométéorites, soit plus de 50 % de la matière récoltée. Et comme on le verra par la suite, des échantillons très petits et très fragiles ont pu être observés pour la première fois.

Signes particuliers : matière extraterrestre.

Photo de micrométéorite ultracarbonée au microscope électronique à balayage
© CSNSM Orsay - LSPES Lille

Comment reconnaît-on une micrométéorite, en d’autres mots comment savoir que ce caillou-là plutôt qu’un autre est bien tombé du ciel ? Certains indices sont irréfutables : une micrométéorite possède souvent une coquille, totale ou partielle, de magnétite formée lors de l’entrée atmosphérique ; à l’intérieur, certains alliages sont rares sur Terre – comme le Fer-Nickel par exemple - et enfin, les proportions des éléments qui la composent sont bien particulières et semblables à celles de la photosphère solaire (aux éléments volatils près). C’est bien là tout son intérêt ! Elle est faite de la matière primitive qui a engendré le Soleil et tous les objets qui gravitent autour (planètes, satellites, astéroïdes, comètes…). Le système solaire est né il y a 4,5 milliards d’années, de l’effondrement d’un nuage de gaz et de poussières (matière elle-même issue d’étoiles en fin de vie). Au centre du nuage, la température et la densité ont permis l’allumage des réactions nucléaires qui ont fait naître notre étoile, le Soleil. Tout autour, les grains de poussière se sont agglomérés pour donner des grains de plus en plus gros et ainsi de suite, jusqu’aux planètes. Deux types de corps ont échappé à la formation planétaire et ont préservé une mémoire de la formation du système solaire : les astéroïdes et les comètes. Entre Mars et Jupiter, on trouve la ceinture d’astéroïdes : là le processus d’accrétion n’est pas allé jusqu’au stade de planète et on y trouve des milliers de corps pierreux de toutes tailles (entre 10 m et 1000 km). Hormis les météorites lunaires et martiennes, les météorites arrivant sur Terre proviennent de cette ceinture d’astéroïdes à la suite de chocs entre astéroïdes. Pour les planètes telluriques comme la Terre et pour certains astéroïdes massifs, suite aux températures très élevées suivant l’accrétion, le matériau d’origine a fondu et s’est structuré en couches. Pour d’autres objets pour lesquels l’élévation de température a été moindre, la structure minérale a pu être modifiée mais pas la composition chimique globale. Les comètes constituent la deuxième population d’objets qui contiennent des informations primitives. Elles se trouvent dans deux réservoirs, la ceinture d’Edgeworth-Kuiper, située à 50 unités astronomiques du Soleil, et le nuage d’Oort, qui s’étend jusqu’à environ 2 années-lumière, à mi-chemin de notre étoile la plus proche. Ainsi les micrométéorites, qui peuvent provenir à la fois de la ceinture d’astéroïde et des comètes, constituent de véritables archives de la composition originelle du système solaire. En étudiant leur composition et leur structure minéralogique, on essaie de comprendre les conditions dans lesquelles la matière primitive s’est agrégée.

Patience et longueur de temps…

Avant d’avoir toutes les informations prometteuses que livreront les micrométéorites de la collection 2006, un travail gigantesque attend Elena, il lui faut répertorier toutes les micrométéorites pour pouvoir les classer en différentes catégories. Elle est devenue experte du maniement de si petits objets (taille moyenne : 100 microns) ! Leur aspect est d’abord analysé au microscope optique ; tous seront étudiés plus précisément avec un microscope électronique à balayage qui permet de plus forts grossissements. Il faut également prélever des échantillons pour une analyse de la composition chimique (par absorption ou émission des rayons X et/ou par spectrométrie de masse). Un travail qui nécessite de la patience et beaucoup de rigueur. Mais le jeu en vaut la chandelle. On a déjà découvert dans la collection des particules friables encore jamais observées…

Au pôle Sud ou dans l’espace ?

En 1978, on a découvert la comète Wild 2 et compris qu’elle allait bientôt passer pour la première fois près du Soleil (en effet, elle a été déviée de sa trajectoire circulaire éloignée du Soleil par Jupiter en 1974). Elle aussi constituait donc une archive des origines du système solaire et de là a germé l’idée de s’approcher de son noyau pour y prélever des particules cométaires. La sonde NASA "Stardust" a donc été conçue dans ce sens : grâce à un aérogel de silice qui emplissait son collecteur de particules, elle a pu récupérer des échantillons cométaires, ainsi que des poussières interstellaires un peu plus loin sur sa trajectoire, et surtout les ramener sur Terre en 2006. Là encore un travail titanesque attend des équipes du monde entier pour extraire les grains collectés dont la taille est 10 à 100 fois plus petite que les micrométéorites ! Les premières analyses semblent montrer une grande proximité entre ces échantillons et certaines micrométéorites de Concordia, ces dernières ayant l’avantage d’être plus grandes et en meilleur état ! En effet l’impact des particules de Wild 2 dans l’aérogel a été réalisé à plus de 6 km/s, et même dans cet aérogel conçu pour absorber le choc, cela laisse des traces ! Mais au-delà de l’idée qu’il est peut-être plus simple, plus efficace et bien moins cher d’aller récolter les micrométéorites au pôle Sud pour avoir des informations sur le système solaire, ces résultats ont des implications dans les modèles établis de formation des comètes. On pensait qu’elles s’étaient formées loin du Soleil, peut-être à partir de matière interstellaire. Or la proximité de leur composition avec celles des astéroïdes montre que leurs composantes sont nées près du Soleil. Elles ont ensuite récupéré leur enveloppe de glaces plus loin, ce qui montre également un important brassage de matière dans le système solaire primitif. Les micrométéorites sont des témoins d’un passé extrêmement lointain qui arrivent sur Terre, livrant aux scientifiques une foule d’informations. Témoins, certes, mais peut-être aussi actrices de la naissance de notre monde. Elles contiennent de l’eau et leur pluie incessante aurait pu contribuer à la formation des océans ; elles sont riches en carbone et renferment des molécules organiques qui auraient pu ensemencer la Terre de ses premières briques de Vie. Elena travaille jour après jour pour tenter d’apporter des éléments de réponse à ces questions…