Résultat scientifique

La sonde cométaire Rosetta de l’ESA a très récemment mesuré l’azote gazeux sous forme moléculaire (N2) dans la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko (dite « Chury ») (Rubin et al., Science, mars 2015*). Cette première mesure de l’azote cométaire montre toutefois que N2 n’est présent qu’en très faible quantité dans la coma, en comparaison avec le monoxyde de carbone, alors que ces deux molécules étaient supposées initialement être très abondantes dans la nébuleuse protosolaire. Cette « particularité » peut être expliquée par l’agglomération de clathrates par la comète au moment de sa formation, des cages de glace qui ont capturé les molécules volatiles présentes dans la nébuleuse tout en modifiant leur composition (mélange) au moment du piégeage. Cette conclusion a été obtenue sur la base de simulations numériques par une équipe de recherche fortement interdisciplinaire, conduite par des chercheurs issus du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (CNRS / UB), le Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (CNRS / AMU), de l’Institut UTINAM (CNRS / UFC) et de l’Institut de Physique de Berne (Université de Berne, Suisse). Leurs travaux, publiés dans la revue « The Astrophysical Journal Letters » permettent de montrer que la comète n’a pu se former que dans une plage de températures très basse, comprises entre 32 et 70 K, ce qui fourni des indices précieux sur les premiers stades de formation de notre système solaire.

La sonde cométaire Rosetta de l’Agence Spatiale Européenne est arrivée à proximité de la comète Chury en août 2014, après un voyage de dix ans dans l’espace. Elle analyse depuis la composition des gaz émis par la comète lors de la sublimation de la glace en particulier grâce à l’instrument ROSINA, un spectromètre de masse qui a la résolution requise pour distinguer des molécules qui ont des poids moléculaires presque identiques, ce qui est le cas du monoxyde de carbone (CO) et de l’azote moléculaire (N2). Or, la mesure réalisée début 2015 montre un rapport N2/CO qui est environ (en moyenne sur toutes les mesures) 87 fois plus petit dans l’atmosphère de la comète que celui attendu dans la nébuleuse protosolaire (nuage de gaz à partir duquel le système solaire s’est formé).

En faisant l’hypothèse que la comète Chury a été formée par agglomération de glace sous forme de clathrates, les chercheurs Français et Suisses impliqués dans la présente étude ont montré que ces structures de glace très particulières pouvaient avoir piégé sélectivement CO par rapport à N2. Ce résultat a été obtenu en mettant en œuvre des simulations numériques à l’aide de la méthode de Monte Carlo dans l’ensemble Grand Canonique, une méthode basée sur la physique statistique et le calcul de la probabilité de piégeage des gaz N2 et CO dans la structure du clathrate en fonction de leurs interactions avec les molécules d’eau.

En plus d’expliquer la très faible quantité d’azote moléculaire mesuré par rapport à la valeur attendue, cette étude permet également de déterminer une plage de températures très basses (entre 30 et 70 K) dans laquelle la glace cométaire a pu se former. En effet, le taux de piégeage de N2 par rapport à CO dépend fortement de la température dans les simulations et ces deux valeurs extrêmes de température correspondent à la plage des valeurs mesurées dans la comète pour le rapport N2/CO.

Avec la découverte de l’azote moléculaire dans la comète Chury par la sonde ROSINA et la détermination, par simulations numériques, de la température de formation de cette comète c’est une pièce du puzzle concernant le rôle joué par les comètes de la famille de Jupiter dans l’évolution du système solaire qui vient d’être posée. Toutefois le puzzle est loin d’être achevé. Chury se rapproche du Soleil et le dégazage de la comète va augmenter fortement ce qui devrait permettre la mesure de certains gaz à l’état de trace tels que les gaz rares et donner des contraintes supplémentaires sur la composition du mélange gazeux à l’origine des atmosphères des planètes internes.

Le scénario du piégeage sélectif de l’azote moléculaire par les clathrates est le fruit d’un travail interdisciplinaire entre physiciens, chimistes et astrophysiciens de trois instituts du CNRS (INSU, INC et INP), en collaboration avec les responsables de l’instrument ROSINA (Université de de Berne, Suisse) actuellement en phase d’exploitation sur la mission spatiale Rosetta/Philae en orbite autour de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Localement, ce travail a été financé par un BQR commun aux Universités de Bourgogne et de Franche-Comté et s’appuie sur les liens forts que développent les chercheurs bourguignons et francs-comtois au sein de l’espace recherche de la COMUE UBFC nouvellement créée.

Rosetta a mesuré pour la 1ère fois de l’azote moléculaire dans une comète, fournissant des clés sur l’environnement thermique dans lequel 67P/Churyumov-Gerasimenko s’est formée.

• 138 mesures collectées par ROSINA

Rosetta est arrivée sur sa comète en août dernier et depuis, elle a collecté des données considérables sur 67P et son environnement grâce à ses 11 instruments scientifiques. La détection in situ d’azote moléculaire sur une comète fait l’objet de recherches depuis très longtemps. Jusqu’à maintenant, l’azote a toujours été détecté en liaison avec d’autres composés, dont l’acide cyanhydrique (HCN) ou l’ammoniac (NH3), par exemple. Cette détection est particulièrement importante parce qu’on pense que l’azote moléculaire est le type d’azote le plus courant lors de la formation du Système solaire. Dans les régions extérieures plus froides, il a probablement fourni la source principale d’azote incorporé dans les planètes gazeuses. Il domine également l’atmosphère dense de Titan, la plus importante lune de Saturne, et il est présent dans les atmosphères et les glaces de surface de Pluton et de Triton (lune de Neptune). C’est dans les régions froides des confins du Système solaire que l’on pense que les comètes de la famille de 67P se sont formées. Ces nouveaux résultats s’appuient sur 138 mesures collectées par ROSINA (Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis instrument) du 17 au 23 octobre 2014 quand Rosetta était à environ à 10 km du centre de la comète. « La présence d’azote moléculaire impose des contraintes importantes pendant la formation de la comète parce qu’il nécessite de très basses températures pour être piégé dans la glace » explique Martin Rubin de l’Université de Berne, auteur principal des résultats publiés dans le journal Science.

On pense que le piégeage de l’azote moléculaire dans la glace au sein de la nébuleuse protosolaire (nuage de gaz qui a donné naissance au Système solaire) s’est produit à des températures similaires à celles nécessaires à la capture du monoxyde de carbone. Donc, afin d’introduire des contraintes dans les modèles de formation des comètes, les scientifiques comparent le rapport de l’azote moléculaire et du monoxyde de carbone (N2/CO) mesuré dans la comète avec celui de la nébuleuse protosolaire, tel qu’il est calculé depuis le rapport azote sur carbone mesuré sur Jupiter et dans le vent solaire. Pour la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko, le rapport s’avèrent 25 fois plus faible que celui attendu dans la nébuleuse protosolaire. « La mesure du rapport N2/CO nous permet de déterminer la température de formation de 67P/churyumov-Gerasimenko dans la nébuleuse primitive. Celle-ci se serait formée autour de 30 K (-243°C NDLR) » explique Olivier Mousis, du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM) au CNRS. Un scénario suppose donc des températures d’environ -250°C ou peut-être -220°C, avec un piégeage relativement inefficace de l’azote moléculaire dans une glace d’eau plutôt amorphe ou de la glace d’eau « cage » appelée clathrate. Dans les 2 cas, cela aurait directement entrainé un faible rapport. Ou alors, l’azote moléculaire a pu être piégé plus efficacement à des températures encore plus basses, environ -253°C dans la même région que Pluton et Triton, d’où des glaces relativement riches en azote observées à leur surface. Le réchauffement ultérieur de la comète par la décroissance des noyaux radio-actifs, ou quand la comète s’est rapprochée du Soleil, pourrait avoir été suffisant pour déclencher le dégazage de l’azote et donc une réduction du rapport au fil du temps.

« Ce processus de formation à très basse température est similaire à celui qui a permis à Pluton et Triton d’acquerir leur glace riche en azote et est cohérent avec l’origine de la comète dans la ceinture de Kuiper », selon Martin Rubin. Le seul autre corps du Système solaire avec une atmosphère dominée par l’azote est la Terre. La supposition la plus courante de cette origine repose sur la tectonique des plaques, avec des volcans relâchant l’azote emprisonné dans les roches silicatées du manteau. Cependant la question du rôle joué par les comètes apportant cet ingrédient demeure. Pour évaluer la contribution possible de comètes comme celle étudiée par Rosetta dans l’apport d’azote à l’atmosphère terrestre, les scientifiques supposent que le rapport isotopique entre 14N et 15N dans la comète est le même que celui mesuré sur Jupiter et dans le vent solaire, ce qui reflète la composition de la nébuleuse protosolaire. Cependant, ce ratio isotopique est beaucoup plus élevé que celui mesuré dans d’autres composés présent dans les comètes et qui contiennent de l’azote comme l’hydrogène cyanhydrique et l’ammoniac. Le rapport 14N/15N de la Terre se situe approximativement entre ces 2 valeurs, et par conséquent si il y avait un mélange équilibré entre les molécules formées d’une part et celles de l’hydrogène cyanhydrique et l’ammoniac d’autre part dans les comètes, il pourrait être concevable que l’azote de la Terre provienne de comètes. « Cependant, l’azote moléculaire trouvé est minoritaire par rapport à d’autre formes d’azote cométaire telles que CN, HNC et NH2+, qui sont, elles, enrichies fortement en isotope 15N par rapport à l’atmosphère terrestre, explique Bernard Marty, cosmochimiste des isotopes au Centre de Recherche Pétrographique et Géochimique (CRPG) du CNRS à Nancy. Cette mesure confirme donc que ce type de comète ne peut être à l’origine de l’atmosphère et des océans de notre planète. » « Rosetta est à environ 5 mois du périhélie maintenant (passage au plus près du Soleil NDLR). Nous allons regarder comment la composition gazeuse de la comète évolue pendant cette période et nous allons essayer de déchiffrer ce que cela nous raconte sur sa vie passée. »

En 1995, la sonde atmosphérique Galileo de la NASA réalise la première mesure in situ de la composition de l’atmosphère de Jupiter. Elle révèle que l’atmosphère est enrichie en éléments volatils, tel que le carbone, l’azote, le phosphore ou les gaz nobles, mais que l’oxygène, présent sous forme d’eau, est moins abondant. De nombreuses théories sont développées pour expliquer ces observations, mais certains scientifiques remettent également en question les mesures.

Après 15 ans de préparation et 5 ans de trajet Terre-Jupiter, la sonde Juno de la NASA effectue une nouvelle mesure en 2020. Les données confirment les enrichissements mesurés par Galileo, mais elles indiquent aussi un enrichissement en oxygène. Il devient donc nécessaire de réviser les théories de la formation du système jovien.

Pour tenter d’expliquer la composition de l’atmosphère de Jupiter, une équipe de recherche, comprenant des chercheurs du laboratoire d’astrophysique de Marseille de l’INSU, propose une nouvelle théorie pour la formation de Jupiter, compatible avec les mesures de Juno. Leur modèle simule l’évolution de la nébuleuse protosolaire, disque de gaz et de poussières en orbite autour du Soleil avant la formation des planètes. Les planètes se créent à partir de la matière contenue dans ce disque, qui peut être sous forme solide ou gazeuse. Jusqu’à maintenant, l’enrichissement en volatils dans Jupiter était attribué à un bombardement de son enveloppe par une masse importante de roches et de glaces au cours de sa croissance. Les résultats de ce modèle montrent que l’enveloppe de Jupiter aurait pu se former directement en amassant du gaz enrichi en volatils, sans qu’un apport en matériaux solides soit requis au cours de sa croissance.

Vue d’artiste de la sonde atmosphérique Galileo (au centre) entrant dans l’atmosphère de Jupiter le 13 juillet 1995. L’orbiteur (à gauche) est resté en orbite pour recevoir les données de la sonde et les envoyer vers la Terre.

Crédit : NASA

Quelques jours après le passage en “rase-motte” – 6 kilomètres tout de même – de Rosetta sur la comète Chury le 14 février 2015, les images prises par l’instrument OSIRIS, ont été reçues. Avec une résolution sans précédent de 11 centimètres par pixels, ces données de la NAC 1 nous révèle des structures de surface cométaire vue depuis la sonde avec un niveau détail encore jamais atteint. Étant donné qu’au point le plus rapproché de ce survol, le Soleil, Rosetta et la comète étaient presque parfaitement alignés l’ombre, ou plus exactement la pénombre de la sonde est visible sur l’image.

L’alignement entre le soleil, la sonde et la comète offre des conditions d’observation tout à fait singulières qui permettent de mieux caractériser les propriétés de la surface. On note en particulier la présence d’une vaste zone circulaire centrée sur l’ombre de Rosetta légèrement plus brillante que le reste de la surface. Cela s’explique par le phénomène bien connu d’opposition, dû à la rétrodiffusion de la lumière qui est amplifiée par la présence de petites particules à la surface de la comète (ce phénomène est observé sur la lune et d’autres petits corps recouverts d’une couche de fines poussières appelée régolithe). L’étude de cet effet d’opposition permettra de caractériser les propriétés de la poussière cométaire.

L’ombre de Rosetta que l’on voit très bien en bas de l’image forme un rectangle de 20 mètres par 50. Ces dimensions correspondent à la pénombre créée par la sonde qui est éclairée par une source lumineuse étendue, en l’occurrence le Soleil.