Est-il difficile de donner naissance à une Terre ? Pour assembler le bon mélange de rock, de métal et d’eau, dans un endroit doux pas trop loin d’une étoile ? Pendant longtemps, les planétologues ont pensé que la Terre était un accident chanceux, enrichie d’eau et d’éléments “volatils” plus légers – tels que l’azote et le carbone – par des astéroïdes qui s’étaient égarés depuis les bords extérieurs du système solaire primitif, où ces matériaux étaient abondants. Mais une série de nouvelles études, dont deux publié aujourd’hui dans La sciencesuggère que tous les ingrédients étaient beaucoup plus proches lorsque la Terre est née.
Les résultats, basés sur une analyse chimique minutieuse des météorites, impliquent que les disques de formation de planètes autour d’autres étoiles devraient également être bien approvisionnés en éléments de planètes humides et rocheuses qui pourraient être hospitalières à la vie. “Cela rend l’enrichissement en éléments volatils d’une planète plus générique”, explique Alessandro Morbidelli, planétologue à l’Observatoire de la Côte d’Azur qui ne faisait pas partie des nouveaux travaux. Même si une jeune planète ne reçoit pas de livraison des confins du système planétaire nouveau-né, dit-il, “cela ne change pas l’habitabilité”.
Il n’y a pas si longtemps, les chercheurs pensaient que le disque géant de gaz et de poussière qui tournait autour du Soleil primitif il y a plus de 4 milliards d’années avait une composition assez uniforme. Mais ce point de vue a été contesté par des études qui comptabilisaient les rapports de certains isotopes trouvés dans les dizaines d’espèces connues de météorite. Ils ont indiqué que les météorites appartenaient à deux groupes de base qui ont probablement pris naissance dans des zones à différentes distances du Soleil. Un groupe, connu sous le nom de chondrites carbonées, semble provenir des confins du système solaire primitif, au-delà d’un proto-Jupiter et au-delà de la “ligne de neige” du disque, où les températures se sont suffisamment refroidies pour permettre à l’eau de geler. En revanche, les chondrites non carbonées se sont formées plus près du Soleil. Les signatures isotopiques suggéraient également que chaque zone était alimentée par des matériaux forgés dans différentes sources anciennes et lointaines, telles que des supernovae et des étoiles géantes rouges.
Jusqu’à récemment, les scientifiques ne pouvaient détecter que les premières empreintes isotopiques dans des métaux tels que le chrome, le titane et le molybdène, qui sont suffisamment durables pour résister à la chaleur du Soleil nouveau-né. Une correspondance étroite entre les rapports isotopiques trouvés dans les chondrites non carbonées et ceux trouvés dans les mêmes métaux sur Terre a suggéré qu’une grande partie de la matière première de la Terre provenait de la même région proche que ces météorites.
Mais les premières recherches de preuves isotopiques indiquant que les éléments volatils plus légers de la Terre provenaient également à proximité se sont révélées sèches. “Les gens ont juste commencé à penser [the evidence] n’existait pas », explique Rayssa Martins, doctorante en géochimie à l’Imperial College de Londres (ICL). Et donc la vision traditionnelle de l’origine de ces éléments a persisté : beaucoup étaient supposés provenir d’une source éloignée, telle qu’une région extérieure du disque, où ils auraient pu se condenser puis être attirés vers l’intérieur par la gravité d’une planète en formation, comme comme Jupiter.
Maintenant, cependant, la division des météorites a été détectée dans deux éléments modérément volatils, le potassium et le zinc. Et les résultats suggèrent qu’une grande partie, mais pas la totalité, des composés volatils de la planète provenaient également du réservoir non carboné, explique Nicole Nie, planétologue au California Institute of Technology et auteur principal de l’étude papier focalisé sur le potassium. “C’est un changement de jeu pour la cosmochimie.”
Le travail était difficile, dit Nie. Bien qu’un papier 2020 avait identifié ce qui ressemblait à d’anciennes signatures isotopiques dans le potassium de la météorite, il n’a utilisé que deux isotopes du potassium, laissant de côté le potassium-40, beaucoup plus rare, dont la signature dans les spectromètres de masse est facile à confondre avec celles du calcium ou de l’argon. Avec seulement deux isotopes, il était impossible de confirmer que ce que l’équipe a vu reflétait la composition chimique du disque primordial. Ainsi, Nie et son équipe ont mesuré les trois isotopes du potassium dans 32 météorites. Ils ont découvert que le potassium dans les roches non carbonées présentait des schémas isotopiques assez similaires à ceux observés sur Terre. “C’était vraiment surprenant”, dit-elle. Ensemble, les résultats suggèrent qu’environ 80% du potassium de la Terre provient de sources proches.
Trois autres équipes ont trouvé un signal similaire dans les cinq isotopes stables du zinc. Deux des groupes publié leurs trouvailles dans Icare l’été dernier; travail par le troisième, dirigé par Martins, apparaît cette semaine dans La science. Les résultats se complètent, explique Frédéric Moynier, cosmochimiste à l’Institut de physique de Paris Globe et co-auteur d’un Icare étudier. “Je suis d’accord avec tout dans le [Science] papier, car il ressemble beaucoup à notre papier. Dans l’ensemble, il semble que la moitié ou plus du zinc de la Terre provenait également du système solaire interne.
D’autres éléments volatils ont probablement une origine similaire, explique Mark Rehkämper, géochimiste à l’ICL. « Le zinc n’est pas de l’eau. Mais là où vous avez du zinc, vous aurez plus d’eau. Et bien que le système solaire interne nouvellement formé ait globalement peu d’éléments volatils, il y en avait encore assez pour créer un monde habitable. « L’eau est ici presque depuis le début », dit Moynier.
La chasse sera désormais lancée pour des éléments volatils supplémentaires qui présentent les empreintes digitales primordiales, déclare Thorsten Kleine, directeur de l’Institut Max Planck pour la recherche sur le système solaire et co-auteur de l’un des articles sur le zinc. « Nous venons de rédiger les propositions pour le faire, pour être honnête », dit-il. Armé de suffisamment de données, en particulier pour les éléments connus pour s’accumuler dans une planète nouveau-née à différents stades de sa croissance, “vous pouvez faire une reconstruction détaillée de la façon dont le matériau qui a construit la Terre a changé au fil du temps”.
Cela pourrait aider à résoudre une autre question qui taraude les planétologues depuis des décennies : la rapidité avec laquelle les planètes rocheuses ont été construites. Ils se sont peut-être formés lentement, sur des dizaines de millions d’années, sous forme de corps rocheux plus petits sont entrés en collision les uns avec les autresou beaucoup plus rapidement, comme vastes amas de matière s’est effondré. Les isotopes pourraient contenir des indices, et pas seulement pour notre système solaire. Comme le nouveau travail l’indique clairement, la recette de la Terre ne sera probablement pas unique.