Pour héberger la vie, notre planète avait besoin d’ingrédients clés : du carbone, de l’azote et de l’eau. Les informations sur l’origine et la date de ces entités chimiques cruciales ne sont pas si claires. Pour rechercher des indices, les chercheurs se tournent vers les gaz nobles, en particulier le néon, l’argon, le krypton et le xénon, comme traceurs.
Désormais, des techniques expérimentales améliorées ont permis de démêler plus facilement les isotopes de krypton sous-utilisés dans le gaz piégé dans les roches, ce qui peut fournir de nouvelles indications sur le passé de la Terre et d’autres planètes.
Passés cachés des planètes
Il y a des milliards d’années, un nuage tourbillonnant de poussière et de gaz a commencé à former notre système solaire. De cet ouragan cosmique, le Soleil et les planètes sont nés.
La façon exacte dont les planètes rocheuses (y compris la Terre) ont pris forme est encore en débat. Dans un scénario, des blocs de construction planétaires appelés planétésimaux ont attrapé des cailloux dans leurs environs, stockant également du carbone, de l’azote, de l’eau et des gaz nobles – des choses que les scientifiques planétaires appellent des volatils. Dans un autre scénario, les planètes se sont développées principalement à partir de planétésimaux se heurtant les uns aux autres, la force des collisions faisant fondre la roche et éjectant des substances volatiles, qui ont été reconstituées plus tard. Ou les planètes peuvent avoir gagné en circonférence grâce à un mélange de ces deux modèles. Les planétologues conviennent généralement qu’il y a eu un impact majeur et final avec la Terre primitive il y a environ 4,5 milliards d’années qui a formé la Lune.
Pour scruter le passé de la Terre, les chercheurs examinent des échantillons du manteau qui contiennent des gaz nobles, dont certains ont été délivrés lors de la formation de la Terre. Ces échantillons comprennent des basaltes qui se forment sur les crêtes océaniques et à partir d’éruptions volcaniques sous-marines. Lorsque la lave se refroidit, formant ces roches, elle emprisonne les gaz du manteau.
Contrairement à la substance de la vie, les gaz nobles sont des éléments réticents, évitant les processus biologiques et les réactions chimiques sur Terre. Les chercheurs peuvent considérer les ratios de certains isotopes de gaz nobles qui sont restés depuis leur livraison comme des panneaux de signalisation pour les sources de volatils, telles que les comètes, les météores, la nébuleuse solaire et le vent solaire.
Le nom krypton signifie cryptique. “Donc, c’est un peu caché… c’était difficile à détecter.”
Les chercheurs font ce genre de travail depuis des décennies. Mais “le krypton a été l’un des gaz rares les plus sous-utilisés”, a déclaré Michael Broadley, géochimiste des isotopes à l’Université de Lorraine en France qui n’a pas participé à la nouvelle recherche. “Il y a eu très peu de travaux effectués en utilisant le krypton pour déterminer l’origine des volatils.”
Quelque peu difficiles à suivre, les isotopes du krypton sont présents en faible abondance et sont difficiles à séparer des autres gaz nobles. Le nom krypton signifie cryptique, a déclaré Sandrine Péron, géochimiste à l’ETH Zurich en Suisse. “Donc, c’est un peu caché… c’était difficile à détecter.”
Roches éclatantes
Péron, alors à l’Université de Californie à Davis, et ses collègues ont mis au point de nouvelles techniques pour améliorer l’analyse d’échantillons contenant de petites quantités de krypton.
Lorsque “vous regardez un peu de roche avec un peu de gaz du manteau, le gros problème est la contamination de l’air”, a déclaré Greg Holland, géochimiste à l’Université de Manchester au Royaume-Uni qui n’était pas partie de ce nouveau travail. Les gaz nobles de l’atmosphère peuvent submerger les signaux subtils des gaz du manteau.
Pour éviter la contamination de l’air, l’équipe de Péron a progressivement concassé des roches formées par des éruptions sous les glaciers en Islande et sous l’océan aux Galápagos. Lorsque les scientifiques ont fait éclater des bulles dans les basaltes, ils ont vérifié la contamination atmosphérique, qui est facilement détectée à partir de la signature isotopique du néon. Chaque fois que les gaz des bulles semblaient contaminés, ils se débarrassaient du gaz. En conservant le gaz lorsque la composition isotopique du néon était proche de celle du manteau, les chercheurs ont enrichi le krypton dérivé du manteau de l’échantillon avant l’analyse. De plus, en divisant le processus qui sépare les gaz rares en deux étapes, l’équipe a amélioré sa capacité à isoler les isotopes du krypton des autres gaz rares.
La nouvelle recherche a donné la meilleure idée à ce jour de la composition du manteau profond.
Avoir la capacité de mesurer avec précision les isotopes du krypton est vraiment utile, a déclaré Guillaume Avice, scientifique planétaire à l’Institut de Physique du Globe de Paris en France qui n’a pas participé à la nouvelle étude. “C’est un nouvel outil… que vous pouvez utiliser pour construire cette histoire” de la formation de la Terre, a-t-il déclaré.
L’une des raisons pour lesquelles les analyses des isotopes du krypton sont utiles est que les signatures isotopiques de différentes sources sont faciles à distinguer. Péron et ses collègues ont constaté que les signatures de krypton de leurs échantillons de manteau s’alignaient principalement sur celles de certaines météorites qui auraient été incorporées dans la proto-Terre au moment de l’impact de la formation de la Lune. Et parce que la signature isotopique du krypton du manteau ne correspond pas à celle de l’atmosphère, une autre source a dû apporter certains des volatils de la Terre, ont rapporté les auteurs l’année dernière dans Nature†
Avec cette combinaison de techniques, Péron et ses collègues ont obtenu le meilleur aperçu de la composition du manteau profond, a déclaré Broadley. L’étude a également “ouvert de nombreuses questions, en particulier sur la relation entre la Terre et les enregistrements de météorites”. Parce que l’isotope de krypton le plus lourd ne correspondait pas à la source météorique, il peut nécessiter une autre source pour l’expliquer, ont rapporté les auteurs. Réanalyser les anciennes météorites avec les nouvelles méthodes peut aider à expliquer le décalage, a déclaré Avice, tout comme l’échantillonnage de plus de météorites.
Au-delà de la Terre
Péron et ses collègues analysent actuellement les isotopes du krypton dans les météorites martiennes, ce qui pourrait fournir des informations sur l’origine des substances volatiles de Mars et pourquoi la Terre et Mars sont si différentes aujourd’hui.
Vénus présente un autre mystère. De taille similaire et proches l’une de l’autre, la Terre et Vénus sont comme des jumelles, a déclaré Broadley. Mais les scientifiques ne savent pas comment se comparent leurs chemins vers la planète et l’approvisionnement en volatils. La mission DAVINCI + de la NASA est prévue pour surveiller les gaz nobles de Vénus. Une compréhension des gaz rares dans l’atmosphère de Vénus et une comparaison avec la Terre nous donneront un aperçu vraiment fondamental des raisons pour lesquelles la Terre est devenue habitable, a-t-il déclaré.
Avec de si petites quantités d’isotopes de krypton, a déclaré Péron, nous pouvons en apprendre davantage sur l’évolution de la Terre et du système solaire.
—Caroline Wilke (@CarolynMWilke), écrivain scientifique