Les micrométéorites - Faculté des Sciences d`Orsay

Les micrométéorites :
des neiges antarctiques à la
formation du système solaire
Cécile Engrand
CSNSM
CNRS - Univ. Paris Sud
Bâtiment 104, Orsay Campus
([email protected])
Témoins de la formation du système solaire,
il y a 4,5 milliards d’années ?
Astéroïdes :
(système solaire interne)
⇒ Météorites
⇒ Poussières cosmiques
Comètes :
(système solaire
externe)
⇒ STARDUST (NASA)
⇒ Poussières
cosmiques
C. Engrand CSNSM CNRS-UPS
Orsay 20 Mars 2008
Les poussières cosmiques
(micrométéorites)
• Poussières : µm à mm
• Flux dominant extraterrestre:
~ 30 000 tonnes/an
– ~ 1 micrométéorite (200 µm) m-2.an-1
– Maximum du flux à ~ 200 µm
– 1000 x le flux de météorites
(seulement ~10 tonnes par an)
• Les micrométéorites viennent des
astéroïdes et des comètes...
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Orsay 20 Mars 2008
Étoiles filantes = ‘grosses’ micrométéorites
(tailles millimetriques)
Averse des Léonides 2001
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Orsay 20 Mars 2008
Problématique
• Consensus ‘historique’ de formation du système solaire :
–
Monde astéroïdal (~ proche du soleil, ~ 3 UA) très différent du
monde cométaire (très loin du soleil, 50-50 000 UA, « congélateur
cosmique ») ??
• Mais :
–
–
Des modèles de formation du système solaire (e.g. Shu et al., 1997)
prévoient des minéraux formés à haute température (réfractaires)
dans les comètes
Ces minéraux réfractaires ont été trouvés dans les échantillons de la
comète Wild2 rapportés par STARDUST (NASA) en Jan. 2006…
¾ Pertinence de cette dichotomie astéroïde/comète?
¾ Micrométéorites : origine astéroïdes et comètes
1. Observe-t-on deux populations distinctes de micrométéorites ?
2. Que nous apporte leur étude sur la connaissance de la formation du
système solaire ?
3. Ont-elle joué une rôle dans l’apparition de la vie sur Terre?
• Préambule : les collectes polaires de micrométéorites
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Orsay 20 Mars 2008
Collectes terrestres de micrométéorites
• 1981 & 1984 : les collectes groenlandaises (CSNSM)
Crédit K. Varmuza
M. Maurette, C. Hammer et al. (1987) Nature
¾ Premières micrométéorites
non-fondues
• 1988-98 : collection côtières
antarctiques (glace bleue) 1 mm
1994
Maurette et al., Nature (1991), 351, 44-47.
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• 2000-02-06 : Collections
centrales antarctiques
(neige)
Station Franco-Italienne Concordia à Dôme C
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• Neige de Dôme C
(Duprat et al., 2007)
Tranchée de 5m de profondeur
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Creusement dans le flanc de la tranchée
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La collection de MMs Concordia
• MMs très bien préservées de l’altération terrestre
•
•
•
– âges terrestres ~ 50 ans, T° très basses, 1100 kms des
côtes, 3.5 km au dessus du socle rocheux
Particules friables (absentes des collections dans la glace)
+ autres types de MMs déjà observées
Présence de phases solubles (carbonates, sulfures de fer)
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Micrométéorite Concordia
Sulfures de Fe-Ni
Spectre EDX global
Si
S
Olivine (Fo96)
Mg
‘Matrice’
Fe
(minéraux anhydres et
hydratés, matière carbonée)
O
Ni
Energy (kEv)
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Météorites Micrométéorites
Micrométéorites
0.5%
CI
1.3%
0.3%
CM
CR
0.1%
CK
0.5%
3.7%
CARBONEES
CO
0.6%
81.2%
CHONDRITES
METEORITES
PIERREUSES
92.6%
73.2%
CV
ORDINAIRES
1.5%
A “ENSTATITE”
ACHONDRITES
FERS
6.1%
MIXTES
1.3%
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7.5%
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Isotopes de l’oxygène
• Chaque classe de météorite a une signature isotopique pour O
• Analyses par microsonde ionique (SIMS) : spectrométrie de
masse par émission d’ions secondaires (analyse in situ)
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10
Y&R
Pyroxene
Olivine
0
Melilite
17
O SMOW (‰ )
Spinel
-10
Olivines/pyroxènes
-20
TF
CAI
-30
Minéraux
réfractaires
-40
-50
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
18
δ OSMOW (‰)
(Engrand et al, 1999)
Î Similarité de la signature isotopique de O pour les MMs et
les chondrites carbonées (CCs) (également vrai pour D/H)
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Premier Constat :
• Les micrométéorites forment une population
relativement homogène…
• Elles montrent des similarités uniquement avec
les météorites les plus primitives (chondrites
carbonées) : < 2% des chutes de météorites
• Micrométéorites probablement plus
représentatives du milieu interplanétaire que les
météorites
Î La matière interplanétaire est principalement de
type « chondrite carbonée » ?
Î Continuum astéroïde-comète ?
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STARDUST : retour d’échantillon
cométaire
• Wild 2:
– Comète de Kuiper (perturbée par Jupiter en 1974)
– Diamètre environ 5 kms.
• STARDUST (NASA) :
NASA
– 2 janvier 2004 : photos et collecte d’échantillons
– 15 janvier 2006 : retour d’échantillons sur Terre
Impacts à 6 km/s
NASA
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NASA
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‘Du feu sous la glace’ (D.E. Brownlee, 2006)
STARDUST
Micrométéorites
Spinel
(Zolensky et al. (2006)
• Minéraux formés à T > 1500°C
• Premières phases du système solaire
̶ Chronologie du système solaire primitif
̶ Environnement astrophysique de la
formation du système solaire…
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Orsay 20 Mars 2008
Isotopes de l’oxygène
• Analyses par microsonde ionique (SIMS) : spectrométrie de
masse par émission d’ions secondaires (analyse in situ)
10
Pyroxene
Olivine
17
OSMOW (‰)
0
Melilite
Spinel
-10
-20
TF
CAI
-30
-40
-50
-50
-40
(Engrand et al, 1999)
-30
-20
-10
0
10
18
δ OSMOW (‰)
Micrométéorites (et IDPs, et CCs)
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(McKeegan et al., 2006)
Wild 2 (Stardust)
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Sulfures de Fe-Ni dans les MMs et Stardust
W ild2 Stardust
Concordia MMs
Pyrrhotite
Troilite
Biai
s
at m
o sp
héri
que
(?)
Bia
is
de
co
llec
te
Pentlandite
(Engrand et al., 2007)
(Zolensky et al., 2006)
• Un grand nombre de sulfures de fer des MMs
Concordia sont compatibles avec ceux de Wild 2
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MMs Concordia ‘ultracarbonées’
SE
SE
~ 90% Matière carbonée
BSE
~ 50% Matière carbonée
BSE
C
Matière
chondritique
C
(Dobrica et al., 2008)
• Pas d’équivalent dans les collections de météorites…
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Orsay 20 Mars 2008
Deuxième Constat :
• Les particules cométaires ne sont pas très
•
différentes de la matière “solaire normale”
Une proportion (mal contrainte) des
micrométéorites est d’origine cométaire
Î Nous disposons en laboratoire d’échantillons
cométaires mieux préservés que les échantillons de
STARDUST (mais plus difficiles à identifier)
Î La nébuleuse solaire primitive était bien mélangée,
très tôt.
– Support au modèle X-wind (Shu et al.)
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X-wind model
X-wind (jet)
Flux of matter to the Protosun
Irradiated protoCAI
Protosun
Accretion disk
Irradiation zone
ProtoCAI
Rx ~ 0.06 UA
Shu et al, 1996 - 2000
Gounelle et al, 2000
Origine de la vie ?
• Chondrites carbonées (ex. météorite Murchison)
contiennent qqs wt% de carbone
– Composés organiques abiotiques :
• Matière carbonée macromoléculaire insoluble (~80%) :
•
•
"kérogène"
Composés solubles (~10%) e.g. acides aminés (~50-100 ppm)
Excès énantiomérique (L) de certains a.a. (jusqu’à 15%)
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800
Antarctic Ice
AMM sample
600
400
Amino Acids
B
AI
a
L-a
l
Dala
L-g
lu
Gl
y
D,
r
L-s
e
0
L-a
sp
200
Das
p
AMM sample in Parts per Million
Antarctic Ice in Parts per Billion
Acides aminés dans les MMs ?
(Brinton et al., 1998)
(see also Matrajt et al., 2004)
• Développements analytiques récents -> nouvelles analyses prochainement
possibles sur de petites quantités de MMs…
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Micrométéorites comme
“microréacteurs chondritiques”
• C Moyen ~ 2.5 wt%
Î ΦC ~ 100-500 tonnes / an (~ 20% MMs non fondues)
• Il y a 4.2 to 3.9 Ga (queue d’accrétion) :
•
flux ~ x1000
Apport des MMs (dans un microvolume) :
Î Matière carbonée
Î Catalyseurs minéraux
Î Produits organiques (a.a, PAHs…)
Î H2O
Î Participation des MMs à l’émergence de la vie sur
Terre ? (et sur Mars ?)
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Orsay 20 Mars 2008
Et l’eau sur Terre…
Number of analyses
• Composition isotopique
SMOW
20
18
AMMs
16
CCs
14
12
10
8
6
de l’eau dans les MMs :
–
Similaire à l’eau des
océans terrestres
(Standard Mean Ocean
Water (SMOW)
• H2OMMs :
4
~ 0.3 x H2Oocéans
2
0
50
100
150
Antarctic Water
200
D/H
250
(x106)
300
350
400
(e.g. Maurette et al., 2000-2008)
(Engrand et al., 1999)
• Une fraction importante de l’eau des océans terrestres est
probablement d’origine (micro)météoritique…
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Orsay 20 Mars 2008
Conclusions
• Une nouvelle collection de MMs : les MMs Concordia, très
bien préservées de l’altération terrestre
– ~ 2000 particules conservées au CSNSM (600 classifiées)
• La matière interplanétaire est principalement de type
•
« chondrite carbonée »
Il existe un continuum entre la matière astéroïdale et
cométaire : Wild 2 (Mission Stardust) compatible en général
avec une matière “solaire normale”
• La collection de micrométéorites Concordia contient des
échantillons cométaires (mal identifiés) mieux préservés que
ceux de Stardust
• La nébuleuse solaire primitive était bien mélangée, très tôt.
•
Support aux modèles de type “X-wind” (Shu et al., …)
Les MMs auraient pu jouer un rôle dans l’apparition de la vie
(et de l’eau) sur Terre
C. Engrand CSNSM CNRS-UPS
Orsay 20 Mars 2008