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Cosmochimie

Poussières du troisième type

Grains de comète rapportés par la sonde Stardust ou éclats de silex vieux de 3,5 milliards d'années : au Laboratoire d'étude des matériaux extraterrestres (LEME)1, la poussière est un objet d'étude ! Analysée par une machine ultraperformante, la Nanosims, elle dévoile son intimité, son passé et celui de l'Univers.

VDL écran poussières

© H. Raguet/CNRS Photothèque

Les détails des météorites peuvent être étudiés au microscope polarisant : ici on étudie la structure des chondres, ces sphérules silicatées de taille millimétrique présentes dans certaines météorites que l'on appelle chondrites.

 

Des bâtiments du XVIIIe siècle, une porte cochère et des pavés. Le décor rappelle les fastes des explorateurs aventuriers et la poussière des collections d'insectes. Mais il est trompeur… Derrière ces murs du Muséum national d'histoire naturelle, a été installé depuis peu le nec plus ultra des instruments de sciences. Son nom : la Nanosims 50. Sa fonction : « Révéler la composition chimique et isotopique d'un grain de poussière microscopique, d'origine terrestre ou spatiale. Un faisceau bombarde quelques atomes de surface qui se trouvent pulvérisés et analysés : on parvient ainsi à dresser la carte des régions riches en carbone, en azote et en oxygène sur des distances de 50 nanomètres, c'est-à-dire à peine quelques molécules ! », explique François Robert, le directeur du Laboratoire d'étude des matériaux extraterrestres, aussi baptisé UMS Nano-analyses, en l'honneur de la machine nouvellement acquise. Alors autant dire que pour visiter cette merveille, il faut enfiler des surchaussures, histoire de ne pas apporter de grain de poussière collé aux semelles. Ce mécano géant de tuyaux et d'écrans avoisinera une autre machine, un spectromètre de masse, capable de compléter ces données en révélant exactement les quantités présentes en chaque élément. Pour l'heure, celui-ci dort encore dans des cartons. « Nous l'avons démonté pour accueillir la Nanosims, il sera bientôt sur pied », promet Smaïn Mostefaoui, ingénieur de recherche au Muséum. Ici, on peut donc venir avec un grain microscopique de matière, repartir en sachant exactement ce qu'il contient d'éléments chimiques et isotopiques, et en déduire sa provenance.

 

La moisson de Stardust

grains VDL

© CNRS IAS, Orsay - LSPES, Lille I

Les grains cométaires qui percutent à 6 km/s le collecteur créent sur l'aluminium un cratère qui ressemble à cette image obtenue en laboratoire.

Mais depuis quelques semaines à peine, c'est un microscopique grain, attendu, adulé, convoité par les équipes du monde entier qui a pris place dans la machine. Il provient de la queue de la comète Wild 2 et a été ramené sur Terre en janvier 2006 grâce à la sonde Stardust de la NASA. L'agence spatiale américaine a collecté un trésor : un millier de grains d'une taille supérieure à 10 micromètres, des dizaines de milliers de grains plus petits, tous provenant de la queue de la comète, mais aussi une centaine de grains interstellaires, qui résident habituellement dans l'espace entre les étoiles et pénètrent parfois dans le système solaire. Cette moisson de poussières a été récupérée et piégée dans un gel extrêmement poreux, un « aérogel », lorsque la sonde spatiale a traversé la queue de la comète. En réalité, ces astres mythiques sont des conglomérats de glaces, de poussières et de roches, qui s'évaporent au voisinage du Soleil et éjectent une traînée d'atmosphère diffuse appelée chevelure ou queue. La sonde Stardust est passée à 500 kilomètres du noyau cométaire, de quoi rafler au passage les précieux grains de poussière qui ont ensuite été distribués à quelques centres triés sur le volet. Parmi eux, figurent sept laboratoires CNRS : outre le laboratoire Nano-analyses, qui réalisera la cartographie isotopique d'une dizaine de grains, le Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CRPG) du CNRS à Nancy cherchera la composition isotopique de l'oxygène des grains cométaires grâce à une microsonde ionique. De même, le CRPG accédera à la quantité d'azote et de gaz rares présents dans les grains, grâce à une technique sophistiquée, baptisée « extraction laser et spectrométrie de masse statique ». Azote, oxygène : deux éléments essentiels pour comprendre l'origine de l'eau et celle de la vie sur notre planète et déterminer ainsi la part due aux comètes. Mais pour cette « pêche » miraculeuse, l'étude du « filet » sera aussi riche d'enseignements : à l'Institut d'astrophysique spatiale2 d'Orsay et au Laboratoire de structure et propriété de l'état solide3 de Lille, on va passer en revue l'armature d'aluminium qui maintenait l'aérogel en place. En effet, les grains cométaires ont dû percuter cette structure en provoquant des petits cratères d'impact. En calculant leur nombre et leurs diamètres, les chercheurs peuvent déjà se faire une idée de la taille des poussières qui flottent à la traîne de ces astres chevelus. Enfin, pour ne pas perdre une miette de ces grains lointains, les scientifiques récupéreront soigneusement les résidus de poussière au fond des cratères. Grâce au microscope électronique à balayage de l'université de Lille, ce premier diagnostic fournira très rapidement une vue d'ensemble de la composition chimique. « Pendant les mois prochains, nous allons nous concentrer sur l'étude de ces grains, explique François Robert. Les premiers résultats sont attendus en juillet. Puis nous nous porterons de nouveau candidat auprès de la NASA pour recevoir d'autres grains. C'est tout un pan de l'histoire du système solaire qui va être ainsi révélé. »

 

Les trésors du Muséum

Ces fragments extraterrestres ne sont pas les premiers du Muséum : sa collection de météorites, forte de 1 000 spécimens, est l'une des plus importantes du monde. « Bien sûr, ces roches ont été beaucoup étudiées, mais la Nanosims nous révélera des détails jusque-là inatteignables. » Par exemple, la célèbre météorite de Murchison, tombée en 1969 en Australie, a été souvent étudiée, et des acides aminés y ont déjà été repérés. Mais dans la matière organique extraite de cette météorite, François Robert et ses collaborateurs, Jean Duprat, du Centre de spectrométrie nucléaire et de spectrométrie de masse4 d'Orsay, et Jérôme Aléon, du CRPG de Nancy, ont fait une découverte5 grâce à la sonde ionique du CRPG. Alors que la très grande majorité des météorites ont une composition isotopique proche de celle du Soleil6, les grains d'oxyde de silicium mélangés à la matière organique de la météorite de Murchison possèdent 100 fois plus de 17O et de 18O. Pour expliquer cette anomalie, les chercheurs ont proposé un mécanisme particulier, basé sur l'irradiation et la spallation7 provoquées par l'activité intense du jeune Soleil. Autres joyaux de la collection, les chondrites, qu'étudie au sein du laboratoire Brigitte Zanda, maître de conférences au Muséum. Ces petites billes riches en silicates, magnésium et fer, incluses dans les météorites, sont les premiers objets solides du système solaire. Enfin, un autre spécimen rare est présent dans la collection : la météorite de Bencubbine. « Elle est formée de matériaux pulvérisés et recondensés : son étude permet de reconstituer quelques épisodes violents qui ont eu lieu pendant l'enfance du système solaire », explique Claude Perron, chargé de recherche au CNRS.

 

Le passé de la Terre

 

nanosims VDL

© H. Raguet/CNRS Photothèque

Un spectromètre de masse permet de donner la composition isotopique d'un microscopique grain. La Nanosims effectue cette analyse sur des distances de 50 nanomètres, soit à peine quelques molécules.

 

En attendant que d'autres missions (voir encadré) partent récolter des grains cosmiques, certaines roches terrestres pourraient dévoiler un pan de l'histoire du système solaire : le passé de la Terre, ses climats et les circonstances qui ont présidé à l'apparition de la vie.

Ainsi, l'étude de la matière organique contenue dans un silex datant de 3,5 milliards d'années a permis de mettre en évidence une des plus vieilles traces de l'apparition du vivant.

« Avec Sylvie Derenne, de l'ENSCP8, nous avons identifié une “biosignature”, une preuve de l'existence de la vie : il s'agit d'une longue chaîne carbonée de la famille des alcanes », explique François Robert. En effet, la membrane cellulaire est caractérisée par un processus enzymatique qui favorise les chaînes constituées d'un nombre impair de carbones par rapport à celles constituées par un nombre pair. Cette biosignature sera mise à profit pour la recherche de la vie dans des échantillons terrestres. La Nanosims pourrait apporter un éclairage nouveau sur ces questions. Car, maintenant, c'est admis et démontré : la mesure des éléments chimiques et des isotopes présents dans un grain minuscule peuvent en dire long sur l'histoire du cosmos. « Il y a vingt ans, lorsqu'avec Marc Chaussidon, aujourd'hui au CRPG, nous avons pensé à ces méthodes, la cosmochimie n'existait pas réellement au niveau national, se souvient François Robert. Personne n'y croyait. Aujourd'hui, plus de quinze laboratoires travaillent dans ce domaine et ont apporté la preuve de sa pertinence et de sa richesse thématique. En vingt ans, la France s'est hissée au second rang mondial de la recherche dans ce domaine. »


Azar Khalatbari

> Pour en savoir plus

http://www2.cnrs.fr/presse/communique/820.htm


 

 

Poussières cosmiques et roches extraterrestres

 

Pour étudier l'histoire du système solaire, les scientifiques se contentaient jusqu'ici des météorites qui viennent percuter notre planète et des 400 kilogrammes de roches lunaires ramenées par les missions Apollo. Alors, quelques missions spatiales font rêver ceux qui désirent étudier des échantillons venus d'ailleurs : en septembre 2004, la mission Genesis a récupéré 20 microgrammes de particules solaires. Même si à l'arrivée, la sonde s'est éventrée dans le désert américain, quelques grains ont pu être sauvés. Le CRPG en a recueilli et analysé. La mission japonaise Hayabusa (ou Muses C), qui devait ramener en 2007 quelques grains prélevés à la surface de l'astéroïde Itokawa, est compromise. L'agence spatiale japonaise a perdu sa trace. Enfin, cette année, la mission Stardust a affiché un succès total et constitue donc le premier échantillon extraterrestre récolté au-delà de la Lune.

 

A. K.

 

Notes :

1. Unité CNRS « Nano-analyses ».
2. Laboratoire CNRS / Université Paris-XI.
3. Laboratoire CNRS / Université Lille-I / ENSC Lille.
4. Laboratoire CNRS / Université Paris-XI.
5. Nature, 15 septembre 2005, vol. 437, n° 7057, p. 385.
6. Toutes les météorites ont été formées en même temps que le Soleil et proviennent de la même matière originelle.
7. La spallation est l'éclatement d'un noyau atomique en nucléons et noyau plus léger, lorsqu'une particule très énergétique le percute. C'est ainsi que sont produits dans le milieu interstellaire des noyaux comme le bore et le lithium qui ne se forment pas dans les étoiles.
8. École nationale supérieure de chimie de Paris.

Contact

Laboratoire LEME / Nano-analyses, Paris
François Robert, robert@mnhn.fr
Claude Perron, perron@mnhn.fr
Brigitte Zanda, zanda@mnhn.fr

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