Le débat sur l’origine cométaire des océans terrestres est-il relancé ?

jeudi 23 mai 2019

Une équipe internationale associant des chercheurs du LESIA a mesuré le rapport deutérium-sur-hydrogène (D/H) dans l’eau de la comète 46P/Wirtanen par des observations en ondes submillimétriques depuis l’observatoire stratosphérique SOFIA. Il s’agit de la troisième comète avec un D/H terrestre. L’étude, qui fait l’objet d’une lettre dans la revue Astronomy & Astrophysics, révèle que cette propriété est caractéristique des comètes dites hyperactives où l’essentiel de la vapeur d’eau est libérée par des particules de glace.

Image de la comète 46P/Wirtanen prise le 3 janvier 2019
Image de la comète 46P/Wirtanen prise le 3 janvier 2019

Crédit : Observatoire de Paris - PSL / LESIA - Nicolas Biver

Les comètes sont des objets privilégiés pour l’étude du système solaire. Ayant peu évolué depuis leur formation il y a 4,6 milliards d’années, leur composition nous renseigne sur la composition de la nébuleuse primitive dans les régions où elles se sont formées. La complexité moléculaire de la matière volatile et ses nombreuses analogies avec les régions de formation d’étoile suggèrent un héritage interstellaire. Toutefois, la présence de minéraux formés à haute température près du soleil montre que la nébuleuse a traversé un épisode de mélange radial intense, transportant une partie de la matière synthétisée près du jeune soleil vers la zone plus lointainede formation des comètes.

A l’instar de nombreux rapports isotopiques, le rapport deutérium-sur-hydrogène (D/H) est très sensible aux conditions physiques et fournit des informations intéressantes sur l’origine du matériau cométaire. C’est aussi un marqueur clé pour déterminer l’origine de l’eau sur Terre, et comprendre le rôle qu’ont pu jouer les comètes. Les rapports D/H mesurés dans l’eau dans les différentes comètes où cela a été possible sont compris entre le rapport terrestre et deux fois ce rapport, voire même trois fois dans le cas de la comète 67P explorée par Rosetta. Cette diversité a été interprétée comme reflétant un gradient du D/H dans la nébuleuse solaire. En effet, l’eau de la nébuleuse, initialement riche en deutérium de par son origine interstellaire, se serait appauvrie en deutérium dans le système solaire interne par des réactions d’échange isotopique avec l’hydrogène moléculaire. En tout état de cause, les rapports D/H élevés mesurés dans l’eau des comètes semblent plaider pour leur contribution mineure aux océans terrestres.

Le passage très prés de la Terre, en décembre 2018, de la comète 46P /Wirtanen a fourni une nouvelle opportunité de mesure du rapport D/H. L’observation dans le domaine submillimétrique des molécules H218O et HDO depuis l’avion stratosphérique SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) a permis d’établir que cette comète avait un D/H terrestre.

La comète 46P/Wirtanen fait partie des comètes dites hyperactives. La quantité d’eau libérée par les comètes hyperactives lorsqu’elles s’approchent du Soleil est plus importante que ce que peut produire le chauffage de leur noyau. Ceci s’explique par la présence de particules riches en glace dans leur atmosphère qui, chauffées par le rayonnement solaire, libèrent des molécules d’eau. Or les deux autres comètes présentant un D/H terrestre sont aussi hyperactives ! Pour aller plus loin, les chercheurs ont quantifié l’hyperactivité, en déterminant la fraction de la surface du noyau couverte de glace nécessaire pour expliquer la quantité d’eau produite dans l’atmosphère. Une fraction active supérieure à 1 est synonyme d’hyperactivité. Une remarquable anti-corrélation est observée entre l’hyperactivité et le rapport D/H (Figure 1).

Figure 1
Figure 1

Le rapport deutérium-sur-hydrogène dans l’eau cométaire (D/H) en fonction de la fraction active sur un échantillon de neuf comètes originaires du nuage de Oort (OC) ou de la ceinture de Kuiper (JF, comètes périodiques de la famille de Jupiter). La courbe en pointillés montre le D/H attendu si l’on suppose que l’eau provient de deux sources : les particules glacées avec un D/H terrestre, et le noyau avec un D/H égal à 3,5 fois la valeur terrestre.

Cette anti-corrélation questionne les chercheurs. Les comètes hyperactives libèrent beaucoup de particules glacées et le D/H est caractéristique de l’eau libérée par ces particules. Une interprétation possible est que ces comètes se sont formées dans une région de la nébuleuse particulièrement riche en glace. Étant donnée la contrainte que le D/H doit être terrestre, cela pourrait être près de la ligne de glace au niveau de la ceinture principale des astéroïdes, ou encore dans les régions les plus externes du disque si l’on s’appuie sur certains modèles d’évolution spatiale et temporelle de la distribution de l’eau et du D/H dans la nébuleuse.

Une autre propriété des comètes hyperactives intriguent les chercheurs. La taille de leur cœur solide (le noyau) ne dépasse pas un kilomètre en rayon, au contraire des comètes non hyperactives qui possèdent toutes des noyaux plus gros pouvant atteindre une trentaine de kilomètres. Cela exclut une formation près de la ligne de glace où l’accrétion de petits planétésimaux en corps plus gros a été très efficace. Reste l’hypothèse d’une formation dans les régions lointaines du système solaire où la croissance des planétésimaux aurait été stoppée.

Les chercheurs avancent aussi l’hypothèse que les rapports D/H mesurés ne sont pas représentatifs de la valeur d’origine, caractéristique des glaces du noyau. En effet lorsque la glace se sublime, des effets de fractionnement isotopique vont appauvrir ou enrichir la vapeur d’eau en isotopes lourds. Ainsi, il n’est pas exclu que le D/H mesuré dans l’eau des comètes hyperactives représente la valeur d’origine. Dans ce cas, toutes les comètes pourraient avoir un D/H terrestre, ce qui bouleverse les paradigmes et réalimente le débat sur l’origine de nos océans.

Référence

« Terrestrial deuterium-to-hydrogen ratio in water in hyperactive comets » D. C. Lis, D. Bockelee-Morvan, R. Guesten, N. Biver, J. Stutzki, Y. Delorme, C. Duran, H. Wiesemeyer, Y. Okada, 2019, A&A, 625, L5
https://doi.org/10.1051/0004-6361/201935554

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