Neige et vent glacial. En cette journée de janvier, le campus de Vandœuvre-lès-Nancy, en Lorraine, n'est pas des plus riants. Heureusement, le Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CRPG) s'avère chaleureux et animé. Une certaine excitation y est palpable, et de nombreux étudiants glissent prestement dans les couloirs. « On se prépare à accueillir et à analyser, à la demande de la Nasa, les premiers échantillons de matière extraterrestre ramenés sur Terre depuis trente ans », nous apprend Bernard Marty¹, directeur du centre, jeune quinqua décontracté. Cette unité propre du CNRS² est aujourd'hui un fleuron mondial de la géochimie, et elle peut fournir aux géologues des analyses physico-chimiques de haute précision. Son secret : une sonde ionique « high-tech », capable de décomposer atome par atome de microscopiques fragments de la matière (voir photo ci-contre). Grâce à elle et à d'autres instruments d'une infinie précision, les équipes de recherche traquent la composition isotopique de tous les éléments (voir encadré ci-dessous) présents dans des échantillons de roches, de sable ou d'aérosols. Les chercheurs en retirent de précieux indices pour échafauder des théories sur la genèse des roches, la formation du système solaire ou l'apparition des premières traces de vie.

Visite des lieux. Au détour d'un couloir, un grand espace vitré attire l'attention. Des techniciens en blouse blanche s'y affairent. Bernard Marty nous fait pénétrer dans la salle où seront bientôt analysées les particules solaires ramenées sur Terre par la Nasa. Rappelez-vous, c'était le 8 septembre dernier. Genesis, vaisseau spatial qui avait recueilli quelques milligrammes de ces particules émises par le Soleil, s'écrasait à son retour dans le désert de l'Utah. Effarés, les cosmochimistes ont cru voir les échantillons – qu'ils attendaient depuis ceux recueillis il y a 30 ans à la surface de la Lune – leur échapper. Heureusement, ils auraient résisté au choc. Une chance, car l'enjeu est d'importance : « Émises par le Soleil³, ces particules sont des témoins directs du gaz originel qui a vu la formation de notre système solaire, explique Marc Chaussidon, géochimiste, directeur de recherche CNRS. On sait globalement que notre Soleil s'est formé à partir d'un mélange de gaz et de poussières. Et que ce sont les résidus de ce mélange qui ont donné les planètes. Mais si on veut comprendre avec précision la formation de la Terre et du système solaire, il faut être capable de comparer la composition géochimique des différentes planètes avec celle du gaz dit “originel”. » Un gaz préservé dans le Soleil depuis 4,5 milliards d'années.

Voilà pourquoi la Nasa a fait appel à douze laboratoires de par le monde pour analyser avec précision la composition isotopique de ce gaz. « Le CRPG a été choisi pour l'azote, car nous

sommes le laboratoire le plus performant pour le détecter dans des quantités infinitésimales de matière », précise fièrement Bernard Marty. Et, désignant un appareillage complexe : « Nous installons ici un nouveau spectromètre de masse de sensibilité inégalée. Un rayon laser de 100 micromètres de diamètre balayera une cible de 1cm² de façon à « peler » la couche dans laquelle seront implantées les minuscules particules du Soleil. » C'est ainsi que la composition isotopique de l'azote sera analysée avec précision. Un indice clé pour mieux comprendre comment les planètes et leurs atmosphères se sont formées. Depuis les mesures effectuées sur des échantillons lunaires irradiés par le Soleil, les chercheurs savent pourtant que notre atmosphère contient une proportion plus importante d'azote isotopique de masse 15. D'où vient ce surplus ? « On peut supposer que les vents solaires n'étaient pas l'unique source d'azote dans le système solaire, avance Marc Chaussidon. Il a fallu certainement compter avec des apports importants provenant de matière météoritique et cométaire. » Et ce bombardement massif a certainement été aussi un facteur déterminant pour l'apparition de la vie⁴ il y a environ 3,5 milliards d'années.

Justement, Mark Van Zuilen, postdoctorant hollandais au CRPG, recherche inlassablement les plus anciennes traces de vie dans les roches terrestres. Un domaine d'étude qui fait actuellement l'objet de nombreuses polémiques, car les dernières découvertes sont loin de faire l'unanimité. Et le jeune chercheur hollandais y est pour beaucoup. « À partir de 2,5 milliards d'années⁵, rappelle-t-il, toutes les roches sur Terre ont été métamorphisées, c'est-à-

dire qu'elles ont subi des hautes températures et des hautes pressions. En leur sein, les microfossiles ont donc été détruits. L'astuce pour repérer d'anciennes traces de vie est de rechercher des indicateurs isotopiques dans les grains de graphite contenus dans ces roches. » Pourquoi eux ? « Parce que l'on suppose que ce sont des fossiles d'organismes photosynthétiques carbonisés. » Ensuite, Mark essaie de détecter à l'intérieur du graphite les isotopes du carbone 13, LA signature d'un organisme photosynthétique. Voilà en théorie comment on recherche nos premiers ancêtres. Mais sur le terrain, tout n'est pas si simple. « Étant donné que la vie est apparue dans la mer sous la forme de phytoplancton, ses traces doivent nécessairement être retrouvées dans roches sédimentaires et non pas magmatiques », explique Mark. Le problème est qu'il n'est pas évident de les repérer sur Terre⁶. En 1996, Steve Mojzsis, un chercheur américain, annonce dans la revue Nature qu'il a trouvé au Groenland des traces de vie dans des roches sédimentaires datées à 3,9 milliards d'années, sur l'île d'Akilia et sur le continent en bordure d'un glacier. Controverse pour ces dernières : une contre-enquête révèle qu'elles seraient d'origine magmatique. Autre polémique : récemment, Mark Van Zuilen⁷ a bien confirmé, grâce à l'analyse isotopique du fer, que les roches de l'île d'Akilia sont à ce jour les plus anciens sédiments présents sur Terre. En revanche, Mark et l'un de ses collègues norvégiens, Aivo Lepland, ont montré que ces roches ne contenaient pas de graphite ! Ce que bien sûr le chercheur américain conteste. Mais Mark reste aujourd'hui convaincu que les plus anciennes traces de vie restent celles retrouvées dans les roches de Pilbara en Australie et de Barberton en Afrique du Sud et datées aux environs de 3,5 milliards d'années. « Cependant, je n'écarte pas l'hypothèse de détecter des indices vitaux dans celles d'Akilia », conclut-il.

Décidément, les isotopes ont la part belle dans de bien passionnantes énigmes scientifiques. Mais ce n'est pas tout. Grâce à eux, une équipe de recherche du CRPG animée par Raphaël Pik, chercheur CNRS, a mis au point des outils géochimiques, paléoaltimètres ou thermochronomètres, qui permettent de reconstituer les reliefs du passé. Leur principe est simple et s'apparente à celui du billard : les rayons cosmiques constitués de neutrons et de protons très énergétiques arrivent sur Terre et percutent les atomes constitutifs de la surface terrestre. Il se produit alors ce que les scientifiques appellent une réaction de spallation : les noyaux se brisent et libèrent des isotopes comme le carbone 14, l'hélium 3 ou le néon 21. « Quand les roches sont proches de la surface, elles sont soumises aux rayonnements cosmiques, explique Pierre-Henri Blard, doctorant au CRPG. Elles accumulent alors des isotopes cosmogoniques, en plus ou moins grande quantité selon l'altitude. Grâce à eux, si nous parvenons à connaître le temps que ces roches ont passé en surface, nous sommes alors capables de déterminer leur altitude dans le passé. » D'ailleurs, d'autres chercheurs du laboratoire essaient justement de dater l'apparition de l'Himalaya et d'évaluer ses conséquences sur le climat. Encore une belle énigme scientifique. Mais pour cette fois-ci, laissons-les chercher des réponses dans les arcanes des roches et des poussières d'étoile.

 

Fabrice Impériali

Les isotopes, signature des éléments

Les noyaux atomiques d'un même élément ont le même nombre de protons mais peuvent avoir un nombre différent de neutrons, ce qui change leur masse. À chaque masse correspond un isotope ; par exemple, dans la famille du carbone, on trouve le carbone 12, le carbone 13, le carbone 14. Les variations de composition isotopique d'un élément sont donc de subtiles variations de sa masse.