Origines des planètes et de la vie

Origines des planètes et de la vie
Sciences de la Terre
Bernard Marty
CRPG Nancy
les géologues travaillent sur des échantillons pour répondre aux
questions importantes des sciences de l’univers
Disques autours d’étoiles
jeunes dans la nébuleuse
d’Orion (image HST, doc ISSI)
Origines des planètes et de la vie
Les météorites
primitives: des
témoins du début
du système solaire
Le temps est leur domaine
Stromatolite moderne,
Shark Bay, Australie
Stromatolites de 3,4
milliards d’années :
Dresser formation,
North Pole, Australie
Images chimiques de
microfossiles de 0.8 Ga faites
avec la Nanosims du Muséum
(Robert et al., 2006)
Stromatolite moderne,
Shark Bay, Australie
Stromatolites de 3,4
milliards d’années :
Dresser formation,
North Pole, Australie
ICP-MS large secteur, ENS Lyon
Instrumentation en évolution
Stromatolite moderne,
Shark Bay, Australie
Stromatolites de 3,4
milliards d’années :
Dresser formation,
North Pole, Australie
Expériences dans des
conditions extrêmes
pression – température
visant à reproduire des
processus naturels
Expérience haute pression
multi-enclume qui permet
de travailler dans les
conditions P-T des
manteaux planétaires
Lab. Magmas & Volcans, Clermont
Ferrand
Modèle numérique de convection
dans le manteau (ENS Lyon)
Cuve de sodium en
rotation destinée à
comprendre le
fonctionnement des
dynamos planétaires
LGIT Grenoble
Origines des planètes et de la vie
Origines
- Origine de la matière dans le système solaire
- Chronologie de la naissance du système solaire
- Origine et évolution de la matière planétaire
Terre jeune et Mars
- Différenciation de la Terre et de Mars
- Le régime thermique de ces planètes durant le premier Ga
- Les environnements primitifs
cf. Exposés de M. Chaussidon, M. van Zuilen - P. Phillipot & N. Arndt
sur les environnements primitifs de la Terre.
Origine de la matière dans le
système solaire
Orion
PROtoPLanetarY
Disk
Evaporative Gaseous Globule
NGC 6357, Hester & Desch (2005)
NGC 6357, Hester & Desch (2005)
Que nous enseignent les radioactivités
éteintes (7Be, 10Be, 26Al, 36Cl, 41Ca, 53Mn,
60Fe) sur le contexte astrophysique de
formation du système solaire ?
Estimer les quantités des parents à la
naissance du système solaire d’après l’analyse
de météorites
Les comparer à celles prédites par différents
modèles de formation
Supernova
Injection dans
CAIs
le nuage
Calcium-aluminium
protosolaire
rich inclusions
Origine des radioactivités éteintes
La séquence de condensation
McSween (2000)
Présence de 60Fe (T1/2 = 1,5 Ma) dans le système solaire
• CAIs : Birck & Lugmair (1988)
• sulfures dans les chondrites (Mostéfaoui et al., 2004)
• chondres (Huss & Tachibana, 2004)
Mostéfaoui et al., 2004
Le 60Fe ne peut être produit que par nucléosynthèse stellaire
• SN II : surproduit 53Mn
par 100 et 60Fe par 10
(Rauscher et al., 2002 ;
Busso et al., 2003)
• AGB : pas de production
de 53Mn,
Sous produit 60Fe d’un
facteur 10
On peut calculer les fractions
de mélange
Ratio normalized to the early solar system value
Radioactivités éteintes prédites par un modèle d’injection
103
102
1 = 1.1 Ma
SN f0 = 3x10-4
M=15Mo
1 = 1.3 Ma
SN f0 = 1.3x10-4
M=25Mo
101
100
1 = 0.76 Ma
-3
AGB f0 = 5x10
M=1.5Mo
10-1
10-2
26
Al
41
Ca
53
Mn
60
Fe
107
Pd
10Be
(T1/2 = 1.5 Ma) et 7Be (T1/2 = 53 jours) étaient présents
(McKeegan et al., 2000 ; Sugiura et al., 2001 ;
MacPherson et al.,2003 ; Chaussidon et al., 2004, 2006)
10Be/9Be
1 x 10-3
7Be/9Be
6 x 10-3
Les isotopes de Be ne peuvent être produits que par irradiation
Origine des radioactivités éteintes
Etoile jeune
Réactions
nucléaires dans
le disque
d’accrétion
CAIs
Radioactivités éteintes prédites par un modèle d’irradiation
Reproduit les
observations dans la
marge d’incertitude
Mais
Conditions spécifiques
d’irradiation et des
compositions irradiées
(Gounelle et al., 2004)
Evolution du nuage protosolaire - irradiation
Amorphisation dans les ondes de choc de
supernova
Silicate de magnésium transformé
en verre par irradiation avec des
protons ou alphas, 10Kev
Accélérateur ARAMIS, CSMSN, Orsay
Carrez et al. (2002), LSTS, Lille
Evolution du nuage protosolaire - condensation
Carbonates vus par le télescope ISO
Condensation de carbonates en absence d’eau liquide
mais en présence de vapeur H2O et de CO2.
NGC6302
Toppani et al., 2005
NGC6537
L’utilisation de carbonates dans notre galaxie comme traceur
d’environnements favorables à la vie est fortement remise en cause
Chronologie du système solaire naissant
âge Pb-Pb des CAIs = 4.566
+ 0.002
- 0.001
Göpel, Manhès & Allègre (1993)
Allègre, Manhès & Göpel (1995)
Bouvier et al. (2006) : âge Pb-Pb CAIs = 4568.3±0.4 Ma.
Manhès et al., 1995;
Zinner & Göpel, 2002
Manhès et al., 1995;
Zinner & Göpel, 2002
Baker et al., 2005
Angrite
Pour obtenir une différenciation (50% de fusion, 1723K, Tsurface= 200K)
en 3 Ma grâce à l’énergie libérée par la décroissance de 26Al,
il faut que l’accrétion se soit produite vers 0,7 Ma (Bizzarro et al., 2005).
Tout objet accrété plus tard, quelque soit sa taille, ne peut pas
se différencier avec l’énergie des radioactivités éteintes
(Bizzarro et al., 2005).
Chondrites = roches
sédimentaires plus tardives
Tout objet accrété plus tard, quelque soit sa taille, ne peut pas
se différencier avec l’énergie des radioactivités éteintes
(Bizzarro et al., 2005).
Les météorites primitives (chondrites)
Manteau riche en matière organique :
accrétion dans la nébuleuse
Silicates réfractaires hérités
Matrice de la
chondrite =
histoire du
régolite du
corps parent
1 mm
Les météorites primitives (chondrites)
Olivine
Pyroxene
Métal
Verre
1 mm
Jonctions triples entre grains d’olivine typiques de
cristallisation à haute pression
met
Des fragments de planètes disparues ?
met
Peridotite du manteau terrestre
Libourel & Krot, 2006
Origine de la matière planétaire
Genesis
Apollo Luna
Ios
N
A
S
A
Galileo, Cassini-Huygens, Venera, Pioneer, Viking
Stardust
Origine et composition du gaz : le
témoignage du Soleil
Nébuleuse protosolaire
Soleil
Vent solaire
Le vent solaire dans le sol lunaire
0.5 m
Photo : Y Langevin
0.5 m
Photo : K Hashizume
Photo : Y Langevin
0.5 m
Photo : K Hashizume
15 N/ 14 N
+800
+400
-100
00
D
D/H
-400
-200
-800
0
100
200
Profondeur sous la surface, nanomètres
D (‰)
15N (‰)
0
Large gradient de composition isotopique d’azote (et d’hydrogène)
dans le système solaire
Nanodiamants
chondrites
CR, Bencubinnites
IDP
Chondrites carbonées
Venus
Mars (Atm)
Jupiter ISO
Earth
TITAN
Jupiter Galileo
Cometaire, HCN
-500
0
Cometaire, CN
500
1000
15 14
15N = [ ( N/ N)s - 1 ] x 1000 ‰
(15N/14N) ATM
1500
Large gradient de composition isotopique d’azote (et d’hydrogène)
dans le système solaire
Nanodiamants
chondrites
CR, Bencubinnites
IDP
CC
Sols lunaires
Venus
Mars (Atm)
Jupiter ISO
Earth
TITAN
Jupiter Galileo
Cometaire, HCN
-500
0
Cometaire, CN
500
1000
15 14
15N = [ ( N/ N)s - 1 ] x 1000 ‰
(15N/14N) ATM
1500
Apport exotique d’éléments légers par des phases condensées
Origine et nature de ces phases ?
Nanodiamants
chondrites
CR, Bencubinnites
IDP
Contribution de composés
solides riches en 15N
CC
Sols lunaires
Venus
Mars (Atm)
Jupiter ISO
Earth
TITAN
Jupiter Galileo
Cometaire, HCN
-500
0
Matière organique enrichie en
15N dans des radicaux :
réactions ion-molécule à BT
Cometaire, CN
500
1000
15 14
15N = [ ( N/ N)s - 1 ] x 1000 ‰
(15N/14N) ATM
1500
• Milieu interstellaire ?
• Nébuleuse protosolaire ?
Interplanetary dust particles et micrométéorites
L2021 K1
matière macromoléculaire
dont la composition
isotopique est héritée
de réactions chimiques
À très basse température
Les enrichissements en 15N sont
couplés aux enrichissements en D
dans la matière organique
Aléon et al. (2003)
Stardust : des échantillons de comète sur Terre
Masse des échantillons :
10-11 fois celle ramenée
par les missions Apollo
Stardust : des échantillons de comète sur Terre
Gaz rares dans les grains cométaires
0.11
Atmosphere
Mixing curve between
Atm. and Solar
Thera 2
0.09
22
20
Ne/ Ne
0.10
Thera 1
0.08
Solar
Cometary ?
0.07
4
4
20
He/ Ne = 850
20
He/ Ne ~ 20
0.06
0.1
1.0
10.0
4
100.0
20
He/ Ne
1000.0
Genesis : des échantillons du Soleil sur Terre
La mission Genesis de
la Nasa vient de ramener
1020 ions de vent solaire
(=0,4 milligrammes)
collectés en 884 jours
à proximité du Soleil
(1,5 millions de km de la
Terre).
Objectifs de la mission :
compositions isotopiques
-O
- N (& C)
- gaz rares
- Li, B
-…
compositions élémentaires
Megasisms (Los Angeles)
Attaque acide sous ultravide (Zurich)
• Inventer des systèmes nouveaux capables
d’analyser les échantillons rapportés par les
missions spatiales
Ablation laser (Milton Keynes & Nancy)
Fluorination
(San Diego)
Un retour d’échantillon gratuit :
les météorites martiennes
Minéralogie haute pression (choc)
SiO2-stishovite + K-Hollandite
ENS Lyon
3 µm
Radioactivités éteintes
dans les roches
volcaniques martiennes
2
182 W
4
0
142Nd
-2
-1
-0.5
0.0
+0.5
+1.0
Différentiation martienne plus précoce que
pour la Terre
Gaz piégé dans les SNC :
composition et évolution de
l’atmosphère martienne
- Réservoirs (croûte, manteau…) hétérogènes
- Pertes atmosphériques importantes
- Manteau moins dégazé
+1.5
Âges de cristallisation des magmas martiens versus âges
d’éjection de Mars
Âges de cristallisation des magmas martiens versus âges
d’éjection de Mars
Volcanisme récent sur Mars ?
L’isochrone Pb-Pb indique un âge de 4,0
Ga pour les shergottites basaltiques
(Bouvier et al., 2005)
QUELQUES PISTES
Origine des radioactivités éteintes
Données de qualité (sondes ioniques, ICP-MS)
Couplage observation-modèle
Couplage avec observation astrophysique
Chronologie de formation du système solaire
Etudes multi-systèmes de radioactivités éteintes pour mieux les caler
(ex : 10Be, 26Al, 41Ca, 53Mn, 60Fe sur les mêmes phases)
Couplage modélisation cf Morbidelli et cosmochimie
Origine de la matière organique et des éléments biogéniques (H, C, N, S) ?
Conditions de formation : Gaz rares, isotopes stables, chimie organique,
nouveaux isotopes stables (Cu, Fe, Ge….)
Comportement lors de l’altération planétaire (hydrothermalisme, métamorphisme)
Couplage avec les observations AA (D/H et 15N/14N des comètes, de Jupiter, de Titan)
Planètes
Etude des sédiments martiens
Modélisation de la convection des manteaux planétaires, origine des dynamos
Origine et évolution des atmosphères planétaires (telluriques, géantes)
Des retours d’échantillons
Terre jeune
Ballentine, 2004
Terre jeune
Zanhle, 2006
Terre jeune
Zanhle, 2006
Courbe de cratérisation lunaire
Echantillons géologiques
FC27 3-11
4080±8 Ma
4114±21 Ma
4250±5 Ma
Jack Hills, Australie du NW
Les sédiments archéens contiennent
des zircons détritiques dont les âges
vont jusqu’a 4.4 Ga, soit seulement
160 millions d’années après le début
du système solaire
4377±3 Ma
4367±3 Ma
3700±12 Ma
Trail et al., 2006
Echantillons géologiques
Formation de croûte continentale vers ~ 4.5 Ga
Métamorphisme de la
Terre jeune : le xénon
dans les zircons hadéens
Harrison et al., 2006
Turner et al., 2004
Basaltes en coussins âgés de 3.8 Ga, Isua, Groenland ouest
(146Sm
142Nd,
Manteau
actuel
T 1/2 = 103 Ma)
Roches d’Isua (3.8 Ga)
Metasedime
nts
Orthogneisses
Metabasalts
Amphibolite
enclave
Acasta
Barb erto n
Pitcairn (EM I)
Society (EM II)
MORBs
-5
0
5
10
15
20
25
100 x142Nd (ppm)
Boyet et al., 2003, Caro et al. (2003)
Il existait une croûte continentale
dans les premiers 100-200 Ma
Depuis, la convection a tout effacé
136
Convection
Xe, T 1/2 =
16 Ma
Xe, T 1/2 =
82 Ma
136
Xe, T 1/2 = 4445 Ma
129
0
1
2
3
Milliards d’années
Xénon
1.3
130
Xe)/( i Xe/
130
Xe)
solar
1.4
( iXe/
I
244
Pu
238
U
129
Température K
Modélisation de l’évolution de
l’atmosphere et du manteau de
l’Hadéen à l’actuel
Atmosphere
*
1.2
Fuite atmosphérique
1.1
solaire
1.0
0.9
Radioactivité éteinte
0.8
122
124
126
128
130
132
Masse (amu)
134
136
138
4
1
2
3
Milliards d’années
4
ENS Lyon
136
Convection
Xe, T 1/2 =
16 Ma
Xe, T 1/2 =
82 Ma
136
Xe, T 1/2 = 4445 Ma
129
0
1
2
3
Milliards d’années
4
1
2
3
Milliards d’années
4
ENS Lyon
Xénon
1.3
130
Xe)/( i Xe/
130
Xe)
solar
1.4
( iXe/
I
244
Pu
238
U
129
Température K
Modélisation de l’évolution de
l’atmosphere et du manteau de
l’Hadéen à l’actuel
Atmosphere
*
1.2
Fuite atmosphérique
1.1
solaire
1.0
0.9
Radioactivité éteinte
0.8
122
124
126
128
130
132
134
136
138
Masse (amu)
Komatiite spinifex, Barbeton
Evolution thermique de la Terre jeune et de Mars ?
Origine des impactants
Trinquier, Birck & Allègre, 2006
Michel et al., 2003
Chondrite de type CM2 pour la limite Crétacé-Tertiaire
Origine des impactants
Gomes et al., 2005
Le pic de bombardement à 3,8 Ga était dû à une déstabilisation du système
solaire externe
matière cométaire Effet sur l’environnement ?
QUELQUES PISTES
Régime thermique et convection de la Terre jeune et de Mars
Mise en place de la dynamo, histoire du champ magnétique
Contributions post-accrétion, rôle de la poussière
Le climat Hadéen et Archéen
Peut t’on trouver des traceurs fiables de biogénicité ?