Particules de poussière du bord du système solaire sur le toit de TU

Sur le toit du bâtiment de physique Eugene-Paul-Wigner de la TU Berlin, on peut non seulement regarder dans l'espace avec un télescope. Juste à côté, des chercheurs ont trouvé dans les dépôts au sol deux micrométéorites. L'une d'elles provient probablement du bord du système solaire.

La comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, photographiée le 20 novembre 2014 par la sonde Rosetta de l'Agence spatiale européenne ESA. Rosetta n'était alors qu'à 31 kilomètres de la comète. Surtout lorsqu'elle se trouve près du Soleil, la comète projette à plusieurs reprises des fontaines de gaz et de poussière. Les particules de poussière pourraient alors atterrir sur Terre sous forme de micrométéorites.

Micrométéorite avec une perle métallique sur le bord. Elle s'est formée après que, lors de la phase de fusion dans l'atmosphère terrestre, les éléments nickel et fer se soient séparés du reste. En refroidissant, ces métaux se sont ensuite solidifiés en une petite boule. On peut en déduire comment la micrométéorite a pénétré dans l'atmosphère, c'est-à-dire avec la petite boule en avant.

Micro-météorite avec un motif de tortue, formé par des processus de cristallisation spéciaux dans l'atmosphère terrestre. Elle provient très probablement du système solaire externe et pourrait provenir de comètes passant près de Jupiter, ou de matériaux rocheux détachés dans la ceinture de Kuiper — à une distance aussi grande que environ 40 fois la distance entre la Terre et le Soleil.

Les citoyen.ne.s scientifiques peuvent collecter des micrométéorites sur leurs toits et, avec un peu d'entraînement, les identifier au microscope optique. Les plus expérimenté.e.s d'entre eux ont maintenant, en collaboration avec une équipe de chercheur.se.s de la TU Berlin et du Muséum d'histoire naturelle de Berlin ainsi que d'autres scientifiques internationaux, pu déterminer avec une forte probabilité les lieux de formation de deux micrométéorites dans le système solaire. Les deux se trouvaient dans de la poussière recueillie sur le toit du bâtiment de physique Eugene-Paul-Wigner de la TU Berlin. Pour la première fois dans cette étude, une simulation informatique a été utilisée, prenant en compte une multitude de trajectoires possibles, de propriétés des particules et de l'influence du rayonnement cosmique sur les micrométéorites. Les données issues de cette simulation informatique ont ensuite été comparées avec des mesures des micrométéorites effectuées dans l'accélérateur de particules VERA de l'Université de Vienne, afin de déterminer leur lieu d'origine.

Scott Peterson est un vétéran de l'armée américaine, étudie la chimie industrielle à Minneapolis et s'occupe en même temps de son fils en tant que père au foyer. De plus, il est l'un des collectionneurs de micrométéorites les plus expérimentés au monde. Cette communauté ne cesse de croître depuis que, en 2015, le musicien de jazz norvégien et citoyen scientifique Jon Larsen a, pour la première fois, prouvé avec le Imperial College de Londres que les micrométéorites ne se trouvent pas seulement dans des endroits reculés comme le fond des océans ou la glace de l'Antarctique, mais aussi sur nos toits.

Les citoyen.ne.s scientifiques identifient les micrométéorites

« Nous avions demandé à Scott de jeter un œil à nos échantillons, car il a tout simplement le meilleur œil pour identifier les micrométéorites au microscope », raconte le Dr Jenny Feige, qui étudie la poussière cosmique avec une bourse Starting Grant du Conseil européen de la recherche. Initialement au Centre d'astronomie et d'astrophysique (ZAA) de la TU Berlin, aujourd'hui au Muséum d'histoire naturelle de Berlin, où d'autres projets sur les micrométéorites sont également menés avec des citoyen.ne.s scientifiques. Avant de consulter Scott Peterson, des chercheur.se.s de la TU Berlin étaient monté.e.s sur le toit du bâtiment de physique local, avec sa coupole pour télescope, avaient balayé et ramassé les dépôts dans les coins. « Tout cela est dilué dans de l'eau pour éliminer les plus petites feuilles et autres débris. Ensuite, nous chauffons le sédiment à 600 degrés pour détruire complètement les micro-organismes et autres matières organiques. Après, nous tamisons le matériau, puis la recherche de micrométéorites peut commencer », explique Feige.

Du nez et des carapaces de tortues

Dans l’échantillon, se trouvaient d’innombrables petites boules de 100 à 500 micromètres, dont la majorité représentait, selon le vocabulaire des chercheur.se.s, une « contamination anthropogène » — c’est-à-dire provenant de sources humaines comme la soudure, les feux d’artifice ou simplement des éclats de métal issus de la circulation routière. Dans le tout dernier sous-échantillon, Scott Peterson a effectivement trouvé deux micrométéorites, que l’on pouvait attribuer à une classe spécifique grâce à leurs structures caractéristiques. Ces structures se forment lorsque des particules de poussière cosmique entrent dans l’atmosphère terrestre, sont freinées par la friction avec les molécules d’air et chauffées à blanc jusqu’à fondre. Après avoir perdu en moyenne 90 % de leur masse, le reste cristallise en refroidissant, selon l’angle d’entrée, la vitesse, la composition et les conditions environnantes, de manière différente dans l’atmosphère.

Ainsi, l’un des micrométéorites possède, en raison de certains processus de cristallisation, un motif ressemblant à une carapace de tortue. L’autre a vu, lors de la phase de fusion, les éléments nickel et fer se séparer du reste, puis se figer en un petit boule à part lors du refroidissement. « On peut même déduire de cette « narine » comment il a pénétré dans l’atmosphère, à savoir avec la boule en premier », raconte Feige.

Les micrométéorites peuvent raconter des conditions dans le système solaire

« Il reste encore un grand défi pour la science de déterminer l’origine exacte des micrométéorites trouvées sur Terre », explique le Dr Beate Patzer, astrophysicienne théoricienne au ZAA de la TU Berlin. « Ce serait toutefois très souhaitable, car les micrométéorites peuvent provenir de zones très différentes de notre système solaire, avec des conditions très variées. La Terre capture environ 100 tonnes de poussière interplanétaire principalement chaque jour. Les micrométéorites sont donc beaucoup plus fréquentes que les météorites plus grosses, ce qui permettrait de générer beaucoup plus de données et d’en apprendre beaucoup sur notre système solaire. »

Temps de vol jusqu’à la Terre

Une méthode pour déterminer l’origine d’une micrométéorite consiste à analyser des isotopes radioactifs durables, formés lors de son voyage dans l’espace par irradiation avec le rayonnement cosmique omniprésent dans l’univers. « En étudiant le rapport entre différents isotopes avec des demi-vies variées, et en utilisant un modèle physique décrivant la formation de ces isotopes, on peut déduire le temps de vol des particules de poussière extraterrestre jusqu’à la Terre — et donc leur lieu d’origine dans le système solaire », explique Patzer.

Première simulation informatique pour l’analyse

« Pour cette analyse, nous avons créé une simulation informatique sophistiquée, prenant en compte les trajectoires possibles des particules de poussière interplanétaire, la taille des grains de poussière, leur composition et densité, les profils de rayonnement du Soleil et du rayonnement cosmique de l’espace interstellaire, les taux de vaporisation lors de l’entrée dans l’atmosphère terrestre, ainsi qu’une multitude d’autres paramètres », explique Jenny Feige. Les chercheur.se.s se sont concentré.e.s sur les isotopes radioactifs d’aluminium-26 et de béryllium-10.

Pour mesurer les très faibles quantités de ces isotopes dans les micrométéorites minuscules, l’équipe de recherche a collaboré avec l’accélérateur de particules VERA à Vienne. Lors de la « spectrométrie de masse par accélérateur » réalisée là-bas, les éléments chimiques sont triés non seulement par leur masse, mais aussi par le nombre de protons dans le noyau — ce qui permet une identification précise des isotopes.

Tortue en provenance des confins du système solaire

Les concentrations d’aluminium-26 et de béryllium-10 dans les micrométéorites ont ensuite été comparées aux résultats de la simulation informatique, qui prédit l’enrichissement de ces radioisotopes dans les micrométéorites en fonction du temps de vol et donc du lieu d’origine dans l’espace. La provenance de six micrométéorites recueillies en différents endroits est restée incertaine ; six autres, cependant, ont pu être attribuées avec une forte probabilité à un lieu d’origine, parmi lesquelles celles trouvées sur le toit de la TU Berlin : la micrométéorite avec le motif de tortue provient du système solaire externe et pourrait avoir été détachée de comètes passant près de Jupiter ou de matériaux rocheux dans la ceinture de Kuiper — à une distance d’environ 40 fois la distance entre la Terre et le Soleil. La micrométéorite avec la « narine » provient, en revanche, du système solaire interne, d’objets proches de la Terre ou jusqu’au ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter.

« Avec ce résultat, nous avons pu démontrer la validité fondamentale de notre méthode », déclare Jenny Feige. Elle explique que cela permettra à l’avenir d’en apprendre encore plus sur le cosmos grâce aux micrométéorites. « Celles que nous trouvons sur nos toits sont particulièrement précieuses, car leur temps de séjour sur Terre est très précisément connu : elles ne peuvent pas être plus anciennes que le toit lui-même. En revanche, celles trouvées dans la profondeur de l’océan ou en Antarctique pourraient avoir déjà passé des millions d’années là-bas, ce qui rendrait les résultats moins sûrs. »