INCL, une clé pour décrypter l'histoire des météorites

Publié par Redbran le 20/09/2020 à 13:00
Source: CEA IRFU

La Caille est la plus grosse météorite française. Illustration: WikipédiaCommons
Les météorites sont bombardées tout au long de leur voyage par le rayonnement cosmique. Cette irradiation est un formidable révélateur de leur histoire (Les Histoires ou l'Enquête (en grec ancien Ἱστορίαι / Historíai) sont la seule œuvre connue de l'historien grec Hérodote. Le titre signifie...), à condition bien sûr de savoir la décrypter. L'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) cosmique avec les noyaux atomiques constituant la météorite (Une météorite est un corps matériel provenant de l’espace extra-atmosphérique de taille comparativement petite qui atteint la surface de la Terre. On appelle astéroïde le corps...) va produire des isotopes dits cosmogéniques, très souvent radioactifs. Des mesures d'activités, une fois la météorite trouvée sur terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...), associées à un modèle peuvent permettre de remonter à sa taille pré-atmosphérique, à son temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) d'exposition au rayonnement, à son âge terrestre, voire aussi à mieux connaître ce flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans...) de rayonnement cosmique. Ce type de modèle repose sur un ingrédient clé: les sections efficaces élémentaires de production des isotopes. Ces dernières ont pour la première fois été fournies intégralement par le code de réaction nucléaire (Une réaction nucléaire est une transformation d'un ou plusieurs noyaux atomiques, elle se distingue d'une réaction chimique qui concerne les...) INCL développé à l'Irfu dans le cadre d'une étude des météorites ferreuses [1], augmentant ainsi la précision des analyses.

Modèle pour décrypter l'histoire des météorites

Les météorites sont des corps initialement enfouis dans des astéroïdes et qui s'en trouvent éjectés lors de collisions. Au sein de l'astéroïde (Un astéroïde est un objet céleste dont les dimensions varient de quelques dizaines de mètres à plusieurs kilomètres et qui, à la différence d’une comète,...), la météorite est écrantée du rayonnement cosmique, mais une fois éjectée elle le subit tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au long de son périple (Avant de désigner un voyage (agréable ou non, court ou long, sur mer ou non, effectif ou spirituel) et ce que celui-ci peut compter comme escales, rencontres et aventures, le périple (littéralement...) jusqu'à son arrivée sur terre, où l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de...), l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.), suivant où elle tombera, la protégeront là encore du rayonnement. Cette irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de...) va produire nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'isotopes, dont les quantités dépendent de nombreux paramètres, comme le rayon pré-atmosphérique de la météorite, la concentration d'éléments à l'origine de l'isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le...), le flux (φ) de rayons cosmiques, et la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques,...) que ces deux derniers réagissent entre eux pour former un isotope. Cette probabilité est appelée section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules....) de production (σ).

Pour arriver à tirer le maximum d'informations sur l'histoire des météorites, il faut être capable de mesurer parfois des quantités infimes d'isotopes, nécessitant une préparation délicate des échantillons et des mesures fines. Les flux (φ) sont tirés de notre connaissance du spectre du rayonnement cosmique mesuré, mais aussi de codes de calcul. En effet, ces particules sont, d'une part, ralenties dans la météorite et produisent, d'autre part, des particules secondaires, principalement des neutrons, générant à leur tour des noyaux cosmogéniques. De la même manière, les sections efficaces de production (σ) ont longtemps été tirées de mesures expérimentales. Malheureusement, ces dernières présentent des lacunes. Il faut alors systématiser les interpolations et extrapolations [2] pour couvrir tout le spectre en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). En parallèle, ces dernières années, la qualité des codes de réaction nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) s'est fortement améliorée, leur permettant maintenant de fournir des sections efficaces σ fiables et en tout point (Graphie) du spectre. Ceci est illustré dans une étude récente [2], démontrant l'utilité des codes de réactions nucléaire dans l'étude des météorites.

Météorites ferreuses: les avantages des isotopes 53Mn et 60Fe

Par rapport aux autres météorites, celles dites ferreuses présentent deux isotopes intéressants à prendre en compte, le 53Mn et le 60Fe. Ces deux isotopes ont des avantages certains. Tout d'abord, ayant des temps de vie (La vie est le nom donné :) plus longs que la plupart des autres isotopes, ils sont moins affectés par le temps de résidence (Le nom de résidence est donné à un ensemble de voies souvent qui forment une boucle ayant la particularité de desservir des mêmes logements appelées également...) sur terre. De plus, ils présentent des mécanismes de production simples car peu nombreux. Ainsi, les incertitudes associées aux modèles sont plus faibles. Enfin, les nouvelles techniques expérimentales (procédure de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans...) chimique et mesures en spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse (mass spectrometry ou MS) est une technique physique d'analyse permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse, et de caractériser leur...) (AMS) [1]) permettent de surmonter les difficultés expérimentales (contamination, faible présence, etc.) et d'en mesurer la concentration.

Déchiffrement par combinaisons calcul-mesure

Comme mentionné plus haut, nombre d'informations sont contenues dans les taux de production des isotopes cosmogéniques. Leurs études permettent de remonter aux caractéristiques des météorites (taille...), mais également de déduire les phénomènes auxquels elles ont été exposées (collisions...).


Figure 1: Section efficace de production de 53Mn par les réactions p+ natNi et n+natNi. Les points expérimentaux ne concernent que la réaction p+natNi.

Intérêt de l'utilisation d'INCL

Parmi les ingrédients nécessaires, les sections efficaces de production des noyaux cosmogéniques restaient entachées parfois de grandes incertitudes dues par exemple aux désaccords entre différents lots de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...), à une couverture partielle en énergie, ou à des lacunes concernant les particules secondaires. Certains codes de réaction nucléaire peuvent enfin pallier ces défauts, grâce aux conséquentes améliorations apportées ces dernières années. C'est pour cette raison que l'étude présentée ici s'est faite en remplaçant les extrapolations et interpolations des données expérimentales de sections efficaces par les résultats de calcul du code INCL, reconnu comme l'un des meilleurs pour simuler la production de noyaux lorsqu'il est associé au code de désexcitation Abla (cf FM du 30 janvier 2013). La Fig. 1 donne un exemple de la qualité de simulation de la production de 53Mn à partir de l'interaction d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) sur du Ni, mais aussi la régularité sur l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) de la gamme en énergie contrairement aux données expérimentales.

Activités

La mesure de l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) du 53Mn a été réalisée sur 46 échantillons. Les comparaisons avec les activités calculées sont très encourageantes. Ainsi, seulement huit échantillons présentent des activités supérieures aux calculs pour des tailles de météorites communément admises. Parmi les autres, citons le bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance...) exemple de la météorite Grant. Là où les derniers résultats expérimentaux [1] indiquent une activité de 441±45 désintégrations par minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte...) et par kilogramme (Le kilogramme (symbole kg) est l’unité de masse dans le Système international d’unités (SI).) (dpm kg-1), le modèle utilisant INCL donne une valeur en parfait accord, comprise entre 331 et 478 dpm kg-1 pour un rayon de 40cm environ.

En revanche, dans le cas particulier de cette météorite, les activités mesurées et calculées de 60Fe semblent pointer une taille supérieure à 1 m, ce qui n'est pas possible puisque toutes les études, dont la notre avec le 53Mn, concourent à un rayon d'environ 40cm. Une explication est peut-être à rechercher du côté des sections efficaces élémentaires de production du 60Fe. En effet, INCL prédit une prépondérance du canal n+Ni --> 60Fe, qui ne peut être testée par manque de données. Une surestimation de ce dernier pourrait expliquer la différence modèle/données. Pour l'évaluer, des techniques d'inférences bayésiennes permettant de combiner différentes sources d'information (expériences, modèles) pour accroître les connaissances devraient être mises en place à l'avenir.

Corrélations isotopiques

Les corrélations entre les activités spécifiques de deux isotopes peuvent permettre de tester la cohérence des résultats et d'émettre, sinon, des hypothèses pour expliquer des comportements non prévus par le modèle. Par exemple, l'activité du 53Mn en fonction de celle du 36Cl nous aide à comprendre l'histoire d'exposition des météorites au rayonnement cosmique.

La Fig. 2 montre cette corrélation. Si dans 25 cas les calculs et les mesures sont cohérents, 10 cas méritent une explication. Par exemple, il y a cinq météorites (Casas Grandes, Sikhote-Alin, Calico Rock, Schwetz, Trenton) pour qui les mesures individuelles de 36Cl [4] et de 53Mn [1] correspondent à des valeurs calculées pour les tailles les plus courantes, mais pour qui les corrélations sont en dehors des prévisions du modèles. Les conclusions d'autres études sur le 36Cl poussent à penser que c'est l'activité du 53Mn qui est anormalement élevée. Deux explications sont alors possibles: ou des problèmes sont survenus pendant la préparation des échantillons et/ou des mesures AMS, ou l'histoire de l'exposition est complexe. Habituellement, on suppose que la météorite est exposée au rayonnement cosmique en continu entre son éjection de l'astéroïde et son arrivée sur terre. Or elle peut aussi subir une ou des collisions, compliquant de beaucoup l'analyse du lien entre les activités de différents isotopes. Les pertes de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) exposent ainsi des couches plus profondes, modifiant les taux de production et les corrélations. Si cette explication est recevable pour certaines météorites, malheureusement, elle ne tient pas, par exemple, pour la météorite Calico Rock, à cause d'une trop forte activité du 53Mn. Dans ce cas, INCL permet de conclure qu'il faut se poser la question d'un problème avec la mesure de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :).


Figure 2: Taux de production du 53Mn en fonction du taux de production du 36Cl dans des météorites ferreuses. Les lignes pointillées donnent les résultats de calcul à l'intérieur d'une météorite de rayon pré-atmosphérique allant de 5 cm à 120 cm, ainsi que les 2 m en surface d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) de 10 m. Les lignes noires relient les résultats pour toutes les surfaces et tous les centres, respectivement. Les prédictions du modèle définissent une zone de combinaisons de taux de production autorisées de 36Cl-53Mn. Des données expérimentales sont également présentées. Les météorites se trouvant en dehors de la zone autorisée sont nommées.

Conclusion

Les mécanismes de production et les durées de vie des isotopes 53Mn et 60Fe sont des observables précieux pour décrypter l'histoire des météorites ferreuses. Les progrès faits dans les techniques de préparation des échantillons et les mesures de spectrométrie 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 force de gravitation (la masse grave). Ces...), d'une part, et, d'autre part, dans la modélisation des réactions nucléaires par le code INCL, associé au code Abla, ont permis d'utiliser ces deux isotopes dans une études récentes [1]. Les comparaisons calcul/mesure ont permis de montrer la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) de la modélisation, d'étudier certaines caractéristiques comme les tailles des météorites de Grant (40cm) et de Twannberg (jusqu'à 10m). Elle permettent aussi de progresser sur l'histoire de certaines météorites, en suggérant des scénarii de collisions, et enfin de faire des analyses critiques sur les méthodes mises en jeu dans l'étude, pointant notamment des échantillons suspects. À l'avenir, les améliorations envisagées d'INCL devraient permettre de mieux reconstruire les histoires individuelles des météorites, au-delà des seules météorites ferreuses.

Références:
[1] I. Leya et al., Meteoritics & Planetary Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) 1-14 (2020).
[2] J.-C. David and I. Leya, Progress (Le Progress est un véhicule spatial développé en 1978 dans le cadre du programme spatial soviétique et qui est depuis, utilisé pour...) in Particle and Nuclear Physics 109 (2019) 103711.
[3] Berger (Un berger (une bergère) est une personne chargée de guider et de prendre soin des troupeaux de moutons (quand il n'y a pas de complément de nom, il s'agit toujours de troupeaux de moutons), ou par extension de bétail...) E. L. et al., Meteoritics & Planetary Science 42:A18 (2007).
[4] Smith T. et al., Meteoritics & Planetary Science 52:2241-2257 (2017); Smith T. et al., Meteoritics & Planetary Science 54:2951-2976 (2019).

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Jean-Christophe David
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