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Posté par Redbran le Mercredi 20/04/2016 à 12:00
Une distribution inattendue des isotopes de l'oxygène dans le système solaire jeune
Par l'analyse de la composition isotopique de l'oxygène contenu dans des inclusions réfractaires riches en calcium et aluminium de météorites primitives, Jérôme Aléon de l'Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), UPMC, IRD, MNHN, Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de Sorbonne, collège dédié à la...) Universités) montre que, contrairement au modèle en vigueur, le disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) protoplanétaire avait initialement la composition isotopique du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...) et que le réservoir d'oxygène planétaire était probablement localisé en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) du disque plutôt que vers l'extérieur. Ces travaux sont publiés dans la revue Earth and Planetary Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir...) Letters du 15 avril 2016.


Zonation isotopique du disque protoplanétaire jeune déduite de la composition isotopique de l'oxygène du pyroxène des CAIs. Initialement formées dans le disque riche en 16O, les inclusions réfractaires riches en calcium et aluminium (CAIs) qui atteignent brièvement la surface optiquement transparente, ne sont plus protégées contre les rayonnements interstellaire (IS) et protostellaire (PS) et peuvent ainsi fondre. Elles refroidissent et cristallisent ensuite en retournant dans le plan médian du disque. Une couche de surface appauvrie en 16O expliquerait alors l'appauvrissement en 16O associé à la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance...) de la melilite puis le retour à une composition riche en 16O lors de la cristallisation du pyroxène (CAIs 16Or-16Op-16Or). Les CAIs n'atteignant pas la surface du disque ne fondent pas et conservent la composition riche en 16O. La distance au Soleil est donnée en unités astronomiques (distance Terre-Soleil). © d'apès J. Aléon EPSL 2016
L'oxygène est l'élément le plus abondant dans notre système solaire après l'hydrogène et l'hélium. Représentant près de 60% des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant...) du manteau et de la croûte terrestre, c'est même l'élément le plus abondant dans les roches. Il possède trois isotopes de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) 16 (le plus abondant), 17 et 18. Dans la conception classique de la formation du système solaire, le Soleil et les planètes se sont formés à partir d'un même réservoir de poussière et de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...). On s'attend donc à ce que le Soleil et les matériaux planétaires qui gravitent autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) possèdent la même composition isotopique de O.

Or, il est maintenant bien établi que la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...) et les matériaux planétaires rocheux, d'une part, et le Soleil, d'autre part, possèdent une différence de composition isotopique d'oxygène, qui correspond à un excès d'environ 6% d'oxygène-16 (O) dans le Soleil (ou un déficit dans les planètes). L'origine de cette différence résiste aux explications depuis plus de 40 ans. Plusieurs catégories de modèles ont été proposées qui ont leurs avantages mais expliquent difficilement la totalité des observations, ou manquent de démonstration expérimentale. Le modèle le plus en vogue depuis 10 ans est un fractionnement isotopique de l'oxygène lors de la photo-dissociation du monoxyde de carbone (Le monoxyde de carbone est un des oxydes du carbone. Sa formule brute s'écrit CO et sa formule semi-développée C=O ou –C≡O+, la...) (CO) par le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) UV. Ce fractionnement conduit à un excès de O dans le CO et un déficit dans l'oxygène atomique, lequel est ensuite transmis aux matériaux rocheux via la molécule d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.).

Les premières roches formées dans le système solaire, les inclusions réfractaires riches en calcium et aluminium (CAI) des météorites primitives possèdent toute la gamme de composition isotopique d'oxygène entre celle du Soleil et celle de la Terre. Comprendre comment elles ont enregistré cette variation permettrait d'élucider la distribution, temporelle et spatiale, des réservoirs impliqués dans la formation des planètes et à terme d'éclairer l'origine de la dichotomie isotopique Terre-Soleil.

Les études précédentes ont toujours conclu à une évolution progressive depuis la composition solaire vers la composition planétaire lors de la formation des CAI (i.e. un appauvrissement en O) et ce bien que la composition isotopique du pyroxène, le dernier minéral cristallisé dans les CAI et qui est riche en O, nécessite des explications ad-hoc. Ce travail basé sur le couplage entre la mesure de la composition isotopique de l'oxygène et une étude pétrographique de détail de la cristallisation du pyroxène montre que le pyroxène s'est enrichi en O lors de sa cristallisation dans un magma contrairement à toutes les suppositions faites jusqu'à présent. Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) implique que le liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) magmatique à partir duquel le pyroxène a cristallisé ait initialement eu une composition isotopique planétaire et qu'il se soit équilibré très rapidement avec un gaz de composition solaire pendant la cristallisation du pyroxène.

Les deux réservoirs solaire et planétaire ont donc co-existé très tôt dans le système solaire et les CAI ont refroidi et fini de cristalliser dans un réservoir solaire plutôt que planétaire. Cette conclusion permet de rejeter la plupart des modèles d'évolution isotopique basés sur la photodissociation du CO dans lesquels les CAI terminent systématiquement leur formation dans un réservoir planétaire pauvre en O. Les résultats de cette étude ne permettent pas de déterminer quel est le mécanisme astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de...) à l'origine de la dichotomie isotopique Terre-Soleil mais suggèrent une zonation isotopique verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le fil à plomb.) en fonction de l'altitude (L'altitude est l'élévation verticale d'un lieu ou d'un objet par rapport à un niveau de base. C'est une des composantes géographique et biogéographique qui explique la répartition de la vie sur terre.) plutôt qu'horizontale en fonction de la distance à l'étoile dans le disque protoplanétaire jeune. Une telle zonation permettrait d'expliquer pourquoi certaines CAI sont restées riches en O et homogènes alors que d'autres ont acquis la composition planétaire avant de revenir à une composition solaire.

Ce modèle est en accord avec la plupart des contraintes physiques déduites des observations et de la modélisation des disques protoplanétaires et favorise les hypothèses basées sur l'évaporation de poussières interstellaires réfractaires ou sur les fractionnements isotopiques ne dépendant pas de la masse pour l'origine de l'anomalie isotopique du système solaire.

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Source: CNRS-INSU
 
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