L'origine des matériaux formés à chaud dans les comètes

Les comètes sont des corps glacés, pourtant elles sont constituées de matériaux formés à de très hautes températures. D’où viennent-ils ? Des chercheurs de l’Institut UTINAM(1) (CNRS/Université de Franche-Comté) viennent d’en donner l’explication physique. Ils ont démontré comment ces matériaux ont migré depuis les parties les plus chaudes à l’intérieur du système solaire vers sa périphérie avant d’entrer dans la composition des comètes. Leurs résultats sont publiés dans le numéro de Juillet 2011 de la revue Astronomy & Astrophysics.

Après huit ans de voyage, la mission Stardust de la NASA (programme Discovery) rapportait sur Terre, le 15 janvier 2006, des poussières de la comète Wild 2. Les comètes se sont formées à des températures très faibles (près de 50 Kelvins soit -223°C). Pourtant, les analyses ont révélé que la comète Wild 2 était constituée de silicates cristallins et de CAIs (Calcium-Aluminium-rich Inclusions) : des minéraux dont la synthèse nécessite de très hautes températures (supérieures à 1 000 Kelvins ou 727°C). Comment expliquer cette composition ?

Une équipe de l’Institut UTINAM(1) (CNRS/Université de Franche-Comté), en collaboration avec des chercheurs de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes), de l’Université Duisburg Essen (Allemagne) et du laboratoire Astrophysique, instrumentation et modélisation (CNRS/CEA/Université Paris Diderot), apporte la réponse en se basant sur un phénomène physique, la photophorèse. Cette force dépend de deux paramètres : l’intensité du rayonnement solaire et la pression du gaz.
A la naissance du système solaire, les comètes se sont formées à partir du disque protoplanétaire(2). A l’intérieur de ce disque, un mélange de grains solides de quelques microns à plusieurs centimètres baignait dans un gaz dilué laissant passer la lumière du Soleil. D’après les chercheurs, la photophorèse a entraîné des particules vers la périphérie du disque. Sous l’effet du rayonnement solaire, les grains présentaient une face « plus chaude » que l’autre et le comportement des molécules de gaz à la surface de ces grains était modifié : du côté « soleil », les molécules de gaz étaient plus instables et se déplaçaient plus rapidement que du côté « froid ». Provoquant une différence de pression, ce déséquilibre a éloigné le grain du Soleil (voir le schéma ci-dessous). Grâce à des simulations numériques, les chercheurs ont vérifié ce phénomène de photophorèse. Ils ont démontré que les grains de silicates cristallins formés dans la partie interne et chaude du disque protoplanétaire à proximité du Soleil ont migré jusque dans sa partie externe et froide avant de prendre part à la formation des comètes.

Cette nouvelle explication physique pourrait expliquer la position de certains anneaux de poussières observés dans les disques protoplanétaires et permettrait ainsi de mieux comprendre les conditions de formation des planètes.

Effet de la photophorèse sur une particule dans la nébuleuse primitive : la particule bouge dans la direction opposée au Soleil en raison de la variation de pression du gaz qui est chauffé côté « jour » et refroidit côté « nuit ». © O. Mousis

Notes :

(1) Institut « Univers, transport, interfaces nanostructures, atmosphère et environnement, molécules » (CNRS/Université de Franche-Comté)
(2) Le disque protoplanétaire d’une jeune étoile (par exemple le Soleil) est le disque de gaz et de poussière qui l’environne et où sont susceptibles de se former des planètes.

Références :

« Photophoretic transport of hot minerals in the solar nebula » – A. Moudens, O. Mousis, J.-M. Petit, G. Wurm, D. Cordier and S. Charnoz – Astronomy and Astrophysics, n°531 Juillet 2011

Source : communiqué de presse du CNRS