Nous n’avons pas l’habitude de considérer la poussière comme un matériau précieux – à moins qu’elle ne vienne de l’espace. Et plus précisément, de la comète 67P / Churyumov-Gerasimenko. Une analyse de sa poussière a fourni des informations précieuses sur cet objet céleste et, plus généralement, sur l’histoire du système solaire.
À l’aide de l’instrument COSIMA à bord de la sonde spatiale européenne Rosetta, une équipe scientifique a examiné en détail la comète 67P / Churyumov-Gerasimenko (67P) d’août 2014 à septembre 2016. Ils étaient intéressés par les particules de poussière éjectées du noyau de la comète et capturées par l’engin spatial et COSIMA ont permis d’étudier leur composition. Les résultats de leurs recherches ont été publiés en décembre 2017 par la Royal Astronomical Society.
L’étude indique qu’en moyenne, la moitié de la masse de chaque particule de poussière est constituée de matériau carboné avec une structure organique principalement macromoléculaire; l’autre moitié étant principalement composée de minéraux silicatés non hydratés. En quoi ce résultat est-il important ou intéressant? Qu’est-ce que cela implique? Était-ce attendu par les scientifiques ou est-ce une rupture totale avec les théories préexistantes?
Grâce à Rosetta et à ses instruments, nous avons pu avoir une meilleure idée de la composition du 67P. Cela est particulièrement vrai pour les gaz de son atmosphère, grâce à l’instrument ROSINA. Pendant le voyage de la comète autour du Soleil, elle libère continuellement des gaz et de la poussière qui forment un halo faible. Ce phénomène s’explique par la sublimation des glaces qui sont incrustées dans le noyau de la comète – elles passent directement de l’état solide à l’état gazeux. Lorsque le gaz s’échappe dans l’atmosphère de la comète, il entraîne de petites particules de poussière. ROSINA a caractérisé et quantifié les gaz: il est composé de vapeur d’eau, de dioxyde de carbone, de monoxyde de carbone, d’oxygène moléculaire et d’une multitude de petites molécules organiques principalement constituées d’atomes de carbone, d’hydrogène, d’azote et d’oxygène.
D’autres instruments, tels que les caméras embarquées et le spectromètre imageur VIRTIS, ont étudié la surface du 67P. Ses structures sont complexes: falaises, failles, glissements de terrain, fosses et plus encore. Mais surtout, la surface de la comète est très sombre et a peu de glace. Le fait qu’il soit si sombre est probablement dû à une teneur élevée en carbone organique. Étant donné que les glaces et les gaz ne représentent qu’une petite fraction de la matière cométaire totale, les chercheurs s’appuient, entre autres, sur l’analyse des grains de poussière libérés par la comète pour en savoir plus sur la composition du noyau de la comète. Cette poussière est représentative de la composition non volatile de la comète, et l’étude des caractéristiques chimiques de la poussière reflétera celles du noyau de la comète.
35 000 particules collectées
L’instrument COSIMA est une sorte de mini-laboratoire physico-chimique, dont la fonction était de collecter les particules de poussière libérées par la comète 67P, de les imager puis de mesurer leurs caractéristiques chimiques à l’aide d’une méthode d’analyse de surface appelée spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol »(TOF-SIMS). Au cours des deux années passées en orbite autour de la comète, la collecte de données a été plus efficace que ce que les chercheurs et ingénieurs qui ont conçu l’instrument il y a environ 20 ans ont pu espérer. En effet, COSIMA a collecté plus de 35 000 particules pouvant atteindre 1 millimètre de diamètre. Nous nous attendions à des grains de poussière beaucoup moins nombreux et infiniment plus petits.
A gauche, la surface du noyau cométaire vue par la sonde Rosetta. La glace condensée sous la surface se sublime des profondeurs de la comète lorsqu’elle se réchauffe lorsque la comète s’approche du Soleil. Le gaz qui s’échappe entraîne de petites particules de poussière qui peuvent être collectées et analysées par les instruments de la sonde Rosetta. À droite, une cible de collecte (1 cm x 1 cm) de l’instrument COSIMA montrant de minuscules fragments du noyau, jusqu’à un millimètre, qui l’ont impacté. Toutes ces particules de poussière sont constituées d’un mélange intime de 50/50 (en masse) de minéraux silicatés et de matière organique. À gauche, ESA / Rosetta / MPS pour l’équipe OSIRIS; à droite, ESA / Rosetta / MPS pour l’équipe COSIMA., CC BY
L’analyse et l’interprétation scientifique des mesures spectrométriques de masse effectuées sur une fraction des particules collectées (environ 250) ont été longues et difficiles. L’ultra-porosité de la poussière, recueillie presque intacte après éjection de la surface de la comète, a peu d’analogues dans nos laboratoires et la maîtrise de la technique TOF-SIMS, déjà compliquée en laboratoire, s’était avérée presque héroïque lorsqu’elle était conduite à distance en espace.
De ces mesures, il a été possible de déduire les principaux éléments constitutifs des particules de poussière (oxygène, carbone, silicium, fer, magnésium, sodium, azote, aluminium, calcium …), ainsi que quelques informations sur la nature chimique de certains composants. À partir de ces données, l’équipe a montré que chaque particule de poussière (taille allant de ~ 0,05 à 1 mm de diamètre) contenait, en moyenne, environ 50% en masse de matière carbonée organique. Ce matériau était principalement macromoléculaire, ce qui signifie qu’il était constitué de grandes structures assemblées de manière totalement désordonnée et complexe; l’autre moitié de la masse est principalement composée de silicates minéraux non hydratés.
À gauche: la composition élémentaire moyenne des particules de poussière de la comète 67P. À droite: la distribution de masse moyenne des minéraux et des matières organiques dans la poussière. ESA / Rosetta / MPS pour l’équipe COSIMA.
Selon les mesures, cette composition de poussière est indépendante de la date de collecte des particules. En d’autres termes, en moyenne, il n’y a pas de différence de composition entre la poussière éjectée par la comète avant, pendant ou après son périhélie, c’est-à-dire quand, en août 2015, 67P a fait son approche la plus proche du Soleil et où son activité était la le plus intense. La composition des poussières cométaires ne dépend pas non plus de leur taille ou de leur morphologie – agrégats duveteux « ou grains plus compacts ». Les particules analysées sont de petits fragments du noyau, provenant de sa surface ainsi que des puits qui s’enfoncent dans les profondeurs de la comète. Par conséquent, la composition moyenne déterminée par COSIMA reflète très probablement la composition globale exempte de substances volatiles du noyau de 67P. La majeure partie de la matière cométaire est ainsi formée par ce mélange intime de 50 à 50 en poids de minéraux et de matière carbonée solide.
Un matériau primitif
Ces résultats, ainsi que ceux obtenus il y a 30 ans lors du survol de la comète Halley par les sondes Giotto et Vega, prouvent que les comètes sont parmi les objets du système solaire les plus riches en carbone. Les experts le soupçonnaient, mais c’est finalement une preuve expérimentale directe. La valeur élevée du rapport d’abondance entre le carbone et le silicium mesuré par COSIMA est très proche du rapport d’abondance de ces éléments mesuré dans la photosphère solaire.De plus, les silicates contenus dans les poussières 67P ne montrent aucun signe notable d’altération par l’eau liquide. Ces deux observations sont une preuve importante du caractère primitif de cette substance cométaire. Cela signifie que ce matériau n’a pratiquement pas été modifié depuis la formation de la comète, contrairement à la plupart des autres objets du système solaire. Son étude nous ramène au tout début du système solaire, il y a près de 4,5 milliards d’années.
Les mesures COSIMA, combinées aux observations des autres instruments Rosetta, indiquent que la plupart des matières carbonées cométaires ne se trouvent pas dans les glaces et les gaz, mais dans la poussière, sous cette forme macromoléculaire non volatile. Ce résultat est conforme aux analyses en laboratoire d’autres matériaux extraterrestres qui ont été collectés sur Terre – les météorites, les micrométéorites et les particules de poussière interplanétaires. Avec ceux-ci, cependant, l’objet d’origine à l’origine de ces matériaux est rarement connu. Et surtout, le chauffage lors de l’entrée atmosphérique altère et modifie, au moins en partie, leurs composants carbonés.
Les mesures in situ de COSIMA et sa collecte de poussières à basse vitesse (quelques mètres par seconde, le rythme du jogging) ont permis de préserver totalement les informations chimiques. Ainsi, il est possible de dire aujourd’hui que si des comètes comme 67P avaient joué un rôle dans l’apparition de la vie sur Terre, en particulier en apportant des matériaux riches en carbone, ce serait cette composante macromoléculaire complexe qui aurait dominé ce qui était livré.