Les «détectives» du système solaire recherchent des indices dans les «miettes» laissées par le système solaire primitif

Par Mikayla Mace et Daniel Stolte, Communications universitaires

Aujourd’hui

Les étudiants étudient un échantillon de météorite à l'aide du microscope électronique à transmission, ou TEM, au Kuiper Materials Science Facility.

Les étudiants utilisent le microscope électronique à transmission, ou TEM, pour étudier un échantillon de météorite au Kuiper Materials Science Facility. Le TEM, enfermé dans la grande enceinte de gauche, fonctionne aux plus petites échelles, permettant aux scientifiques de voir des atomes individuels.
Maria Schuchardt/LPL

Une loupe ne suffit pas pour les “détectives” high-tech de l’Université d’Arizona Installation d’imagerie et de caractérisation des matériaux de Kuiper. Les scientifiques, qui se trouvent dans le sous-sol du Kuiper Space Sciences Building de l’université, travaillent à décoder les histoires archivées dans les roches et la poussière laissées par les premiers jours du système solaire.

Une partie de l’UArizona Laboratoire lunaire et planétaireou LPL, l’installation est une ressource pour les programmes scientifiques publics et privés, sur et hors campus, depuis 2016. Désormais, grâce à une subvention de près de 3 millions de dollars sur quatre ans de la NASA pour soutenir les opérations de l’installation, les scientifiques pourront creuser plus profondément dans les questions scientifiques que jamais auparavant.

“L’histoire du système solaire est encodée dans les astéroïdes – les miettes planétaires laissées par sa naissance il y a plus de 4,5 milliards d’années”, a déclaré le directeur de l’installation. Thomas Zégaapprofesseur au Département des sciences planétaires de l’UArizona. “L’université et la NASA investissent toutes deux beaucoup d’argent et de ressources pour ramener un échantillon de Bennu, un astéroïde carboné, et c’est la première mission de retour d’échantillon d’astéroïde dans l’histoire de la NASA, il est donc important que nous soyons correctement équipés en tant que l’équipe scientifique d’analyser l’échantillon à son retour.”

Les co-chercheurs de l’installation comprennent des professeurs adjoints de sciences planétaires Jessica Barnes et Pierre Haenecourainsi que Regents Professor of Planetary Sciences Dante Laurattechercheur principal de la mission OSIRIS-REx de la NASA, qui renverra un échantillon de l’astéroïde Bennu sur Terre plus tard cette année.

En plus des échantillons d’astéroïdes, les scientifiques utilisent l’installation pour analyser les météorites et les débris d’astéroïdes et d’autres corps planétaires qui tombent sur Terre. L’installation dispose d’une instrumentation de pointe et est ouverte aux utilisateurs du campus ainsi qu’aux autres universités ou au secteur privé. La nouvelle subvention permettra aux chercheurs qui reçoivent déjà un financement de la NASA d’utiliser l’installation payante à un taux réduit.

D’autres programmes de la NASA qui utilisent l’installation comprennent le Consortiums interdisciplinaires pour la recherche en astrobiologie, Analyse en laboratoire des échantillons retournés et Mondes émergents. L’installation servira également les efforts de recherche sur les matériaux planétaires renvoyés par les missions de retour d’échantillons d’autres agences spatiales, telles que Hayabusa 2 du Japon, qui est la “mission sœur” d’OSIRIS-REx.

“Il y a encore plus d’échantillons scientifiques à espérer dans le futur”, a déclaré Zega.

Par exemple, les missions Artemis de la NASA renverront des échantillons lunaires. Et les chercheurs de l’UArizona recherchent un financement pour le retour d’échantillons d’exploration d’astrobiologie de la comète, ou Mission CÉSARqui renverrait un échantillon d’une comète.

“Les États-Unis ont été un leader mondial dans la science des échantillons, et nous voulons maintenir cela, en particulier ici à l’Université de l’Arizona”, a déclaré le président de l’Université de l’Arizona. Robert C. Robbins. “Extraire le maximum d’informations scientifiques à partir d’échantillons modestes n’est pas une tâche facile et nécessite une instrumentation de haute technologie comme celle que nous avons sur notre campus. Je suis honoré par la confiance continue de la NASA dans notre expertise, et j’ai hâte de voir ce que nous allons apprendre.”

L’échelle est tout

La mission OSIRIS-REx dirigée par l’université a été conçue pour renvoyer 60 grammes – un peu plus de 2 onces – de matériau de surface de l’astéroïde Bennu. L’équipe de la mission estime qu’elle a collecté un peu plus que cela, et les membres de l’équipe scientifique de la mission, qui sont répartis dans le monde entier, se verront attribuer 25% de la masse totale collectée. Une fraction de l’échantillon sera distribuée aux chercheurs qui ne font pas partie de l’équipe scientifique d’OSIRIS-Rex, et le reste sera conservé pour les futures générations de chercheurs.

“Nous voulons être sûrs de pouvoir examiner les échantillons à plusieurs échelles, de quelque chose que vous pouvez voir dans la paume de votre main, jusqu’au niveau atomique”, a déclaré Zega. “Pour ce faire, nous avons besoin d’une instrumentation extrêmement sophistiquée.”

Illustration d'artiste du vaisseau spatial OSIRIS-REx soulevant de la poussière et des rochers lors de son atterrissage sur l'astéroïde Bennu.

Illustration d’artiste du vaisseau spatial OSIRIS-REx soulevant de la poussière et des rochers lors de son atterrissage sur l’astéroïde Bennu. Prévues pour arriver sur Terre en septembre, des parties de l’échantillon seront analysées à l’installation d’imagerie et de caractérisation des matériaux UArizona Kuiper.
Centre de vol spatial Goddard de la NASA/CI Lab/Jonathan North

L’installation d’imagerie et de caractérisation des matériaux de Kuiper comprend un microscope électronique à balayage à faisceau ionique focalisé, un microscope électronique à transmission, un laboratoire de microsonde électronique et des microscopes électroniques à balayage. Un instrument NanoSIMS pour mesurer les éléments chimiques dans un échantillon devrait arriver en juin.

“Il existe différents types d’analyses que nous devons effectuer sur des échantillons, et la plupart des chimistes qui étudient les matériaux planétaires se spécialisent dans une ou plusieurs techniques de mesure”, a déclaré Zega. “Nous avons tous des spécialités différentes, et ensemble nos expertises se complètent et complètent le portefeuille analytique que nous avons voulu construire à l’université.”

Les outils : des microscopes aux sondes atomiques

Le premier d’une gamme d’outils de sondage d’échantillons est le microscope optique, familier à beaucoup et utilisé depuis des siècles. Il aide les scientifiques à visualiser des échantillons de plusieurs centaines de nanomètres à micromètres, à peu près à l’échelle des bactéries et des cellules.

“Les microscopes à lumière visible ne sont pas capables de” flairer “la composition chimique d’un échantillon, mais ils nous fournissent des images, qui pourraient révéler des textures et des informations sur sa microstructure”, a déclaré Zega.

“Cela pourrait également révéler des zones de votre échantillon que vous voudrez peut-être cibler davantage”, a-t-il déclaré. “Cela pourrait vous donner une idée de la relation spatiale, ce qui pourrait vous raconter un peu l’histoire pour commencer à reconstituer l’histoire de l’échantillon. Mais ce n’est qu’avec des méthodes plus sophistiquées que vous commencez à mieux comprendre l’image.”

Le microscope électronique à balayage, ou SEM, et la microsonde électronique sont utilisés pour analyser des échantillons à une échelle légèrement plus petite. Une microsonde électronique, également connue sous le nom de microanalyseur à sonde électronique, est similaire à un microscope électronique à balayage, mais offre la capacité supplémentaire de révéler des indices sur la composition chimique de l’échantillon.

Un fragment de la météorite d'Allende à côté d'une image microscopique montrant un réseau d'atomes individuels dans un échantillon prélevé.

L’image de gauche montre un fragment de la météorite d’Allende, la plus grosse du genre trouvée sur Terre. En utilisant la suite d’instruments sophistiqués de l’installation d’imagerie de Kuiper, les chercheurs de l’équipe de Zega ont pu sonder la structure cristalline d’un échantillon d’Allende jusqu’aux atomes individuels (image de droite).
H. Raab/Wikimedia Commons, Tom Zega

“La microsonde nous permet d’imager et de cartographier l’hétérogénéité chimique dans un échantillon en deux dimensions à l’échelle du micromètre, moins de la moitié de la longueur d’une cellule bactérienne de taille moyenne”, a déclaré Zega. “Le SEM peut faire la même chose, mais pas tout à fait au même niveau de précision. Les deux peuvent imager et nous donner des informations sur la composition à l’échelle microscopique, et les deux sont essentiels dans l’analyse de l’échantillon de Bennu, par exemple, parce que ce niveau d’information nous dira où dans l’échantillon nous pourrions vouloir sonder davantage en utilisant NanoSIMS ou TEM.”

L’instrument NanoSIMS mesure les éléments chimiques dans un échantillon, ce qui est important pour comprendre les origines du matériau. Contrairement au MEB ou à la microsonde, le NanoSIMS peut révéler la composition isotopique d’un échantillon. Les isotopes sont différentes variétés d’éléments chimiques.

“La composition isotopique d’un matériau planétaire peut nous dire quelque chose sur ses origines et son histoire que les informations élémentaires seules ne peuvent pas”, a déclaré Zega. “Le NanoSIMS nous permet également de mesurer des éléments traces, qui sont présents en quantités extrêmement faibles, à l’échelle de la dizaine de nanomètres.”

Le microscope électronique à transmission fonctionne aux plus petites échelles, permettant aux scientifiques du laboratoire de Zega de voir des atomes individuels.

En 2021, l’équipe de Zega a utilisé l’outil, combiné à la mécanique quantique, la thermodynamique chimique et la modélisation astrophysique, pour reconstruire l’origine voyage d’un grain de poussière à travers le système solaire naissant.

“Parce que les humains n’étaient pas il y a environ 4,6 milliards d’années pour assister à toute cette chimie, nous devons examiner les restes et inverser l’ingénierie de leurs origines”, a déclaré Zega. “C’est ce que ces outils analytiques sophistiqués nous permettent de faire.”

Des décennies de fabrication

“Notre dossier fulgurant est incomplet”, a déclaré Zega. “Ceux d’entre nous qui étudient les météorites sont à la merci de ce qui tombe du ciel; nous ne savons pas exactement d’où ils viennent, alors nous essayons de les reconstituer.”

Au début des années 2010, Mike Drake, qui a été chercheur principal d’OSIRIS-REx jusqu’à son décès en 2011, et Lauretta, l’actuelle chercheuse principale de la mission, ont réalisé que l’université devait renforcer ses capacités en science des échantillons si elle voulait assumer la mission, selon Zega.

“Ces gars étaient des visionnaires; ils savaient que nous avions besoin d’une mission de retour d’échantillons, et cela a été un catalyseur majeur pour la construction de l’installation”, a déclaré Zega. “Depuis lors, nous nous sommes efforcés d’embaucher le bon corps professoral pour diriger le laboratoire. C’est l’aboutissement de 20 ans d’efforts.”

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