S’attendait-on à faire des découvertes sur notre atmosphère en étudiant la comète Tchouri ?

BM : C’était l’un des grands enjeux de cette mission cométaire. Déjà savoir d’où viennent les comètes, si elles viennent du système solaire ou d’ailleurs. On savait déjà qu’elles étaient très riches en eau, en carbone, en acides aminés, la question était de savoir dans quelle mesure elles avaient participé à la formation de la Terre, et aux conditions qui ont permis l’apparition de la vie.

On pense que beaucoup d’éléments volatils ont été amenés par des météorites riches en gaz, appelées chondrites carbonées. Ces météorites, qui proviennent d'astéroïdes situés entre Mars et Jupiter, sont donc plutôt issues du système solaire interne.

Les comètes sont l’autre source potentielle pour notre planète, donc il fallait savoir notamment si ces dernières avaient participé à la formation des océans terrestres. Mais ce n’est pas le cas, les analyses précédentes donnent un rapport deutérium (isotope lourd de l’hydrogène) sur hydrogène (isotope léger) trop élevé dans les comètes. Il ne correspond pas, les comètes sont deux à trois fois plus enrichies en deutérium que les océans.

En revanche c’est positif pour l’atmosphère. Nos analyses ont montré que le rapport isotopique d’un autre élément des comètes, le xénon, a une signature spécifique que l’on retrouve dans le xénon de notre atmosphère. Établissant ainsi pour la première fois un lien qualitatif et quantitatif entre les comètes et notre atmosphère, de l’ordre de 20%.

Pourquoi le xénon ? Qu’a-t-il de particulier pour identifier l’origine de notre atmosphère ?

BM : Le xénon est un gaz rare, ses isotopes ont été fabriqués en fin de vie de différents types d’étoiles. Et à chaque fois, à chacune de ces origines, le xénon hérite d’une signature particulière. Il peut avoir plus ou moins de neutrons, ce qui ne change pas ses propriétés chimiques mais le rend facilement identifiable. Les isotopes plus légers ¹²⁴Xe et ¹²⁶Xe sont produits par les explosions de supernovæ, mais n’ont pas pu être évalués dans la comète parce qu’ils étaient en trop faible quantité.

En revanche les isotopes moyens, de ¹²⁸Xe à ¹³²Xe, ont très bien été détectés. Ils sont des produits lents de la fin vie des étoiles légères et moyennes de 0,6 à 10 fois la masse de notre Soleil. Et les isotopes lourds ¹³⁴Xe et ¹³⁶Xe, également détectes dans Tchouri, sont exclusivement produits lors de la collision brutale de deux étoiles à neutrons. Or justement, le xénon de Tchouri est appauvri en isotopes lourds ¹³⁴Xe et ¹³⁶Xe par rapport à celui que l’on trouve couramment dans notre système solaire.

Il semble donc que la glace des comètes a piégé du xénon qui ne provient pas du système solaire, impliquant une origine exotique au système solaire. Cet appauvrissement est unique, et on ne le retrouve, à un degré moindre, que dans le xénon de l’atmosphère terrestre. C’est ce xénon cométaire qui permet d’établir un lien de parenté entre les comètes et notre atmosphère, à hauteur d’un cinquième : 20% de comètes, 80% d’astéroïdes.

Comment la sonde Rosetta s’y est-elle prise pour obtenir ces résultats ?

BM : Non sans risque. Les gaz rares sont en faible abondance, même dans les gaz cométaires. Donc le signal est très faible, Rosetta le détectait mal. Il fallait s’approcher au plus près de la comète, entre 5 et 8 kilomètres de la surface pour avoir un signal analysable. Et rester suffisamment longtemps pour obtenir un résultat significatif.  

La responsable de l'analyseur ROSINA, Kathrin Altwegg, astrophysicienne à l’université de Berne a réussi à négocier et à obtenir 3 semaines d’observations. Mais c’était dangereux, avec des problèmes de stabilité et un risque de crash. Parce qu’à cause de la distance, lorsque la Terre envoyait un ordre, il y avait 30 minutes de délai pour que Rosetta le reçoive. La sonde devait donc être autonome sur sa trajectoire, pour la corriger en permanence, et pour ça elle utilisait un système de repérage par triangulation des étoiles lointaines (star-tracker). Sauf que les particules éjectées par Tchouri pouvaient être prises pour des étoiles, et désorienter la sonde. Et c’est ce qui s’est passé, pendant la phase de rapprochement en mai 2016, nous avons perdu le contrôle de la sonde pendant quelques heures. Mais tout est rapidement rentré dans l’ordre : en plus du xénon, ROSINA a analysé plusieurs éléments clés constituant la comète, tels que les éléments présents, le rapport isotopique de l'hydrogène, du silicium, des acides aminés. 

« Ce fut l’instrument le plus productif de la mission en termes de résultats scientifiques » conclut Francis Rocard, responsable du programme Système Solaire au CNES.

Références

B. Marty et al., (2017), Xenon isotopes in 67P/Churyumov- Gerasimenko show that comets contributed to Earth's atmosphere, Sciences, Vol. 356, Issue 6342, pp. 1069-1072, DOI: 10.1126/science.aal3496

Contacts

• Bernard Marty, chercheur au Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (CRPG), bmarty at crpg.cnrs-nancy.fr
• Francis Rocard, responsable du programme Système Solaire, francis.rocard at cnes.fr

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Rosetta dans la Bibliothèque des Projets du CNES