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DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
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Michel Champenois : Chargé de communication CRPG/CNRS.
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jeudi 20 octobre 2005
Présentation de l’article publié dans le numéro du jeudi 20 octobre 2005 de la
revue Nature :
A condensation origin for
circumstellar carbonates
par
Alice TOPPANI
Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, CRPG-CNRS, BP 20, 54501 Vandoeuvre-lès-Nancy , France,
Institut for Geophysics and Planetary Physics, Lawrence Livermore National Laboratory, L413, Livermore, CA 94550, USA
[email protected]
François ROBERT
Laboratoire d’Étude de la Matière Extraterrestre, Muséum National d’Histoire Naturelle, 61 rue Buffon, 75005 Paris , France,
Tél: [phone] - [email protected]
Guy LIBOUREL
Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, CRPG-CNRS, BP 20, 54501 Vandoeuvre-lès-Nancy , France,
Tél: [phone] - [email protected]
Philippe de DONATO
Laboraoire Environnement et Minéralurgie, CNRS UMR 7569, BP 40, 54501 Vandoeuvre-lès-Nancy , France,
Odile BARRÉS
Laboraoire Environnement et Minéralurgie, CNRS UMR 7569, BP 40, 54501 Vandoeuvre-lès-Nancy , France,
Louis d’HENDECOURT
Institut d’Astrophysique Spatiale, CNRS UMR 8617, Univ. Paris Sud, Bât. 121, 91405 Orsay , France,
Jaafar GHANBAJA
Service Commun de Microscopie Électronique à Transmission, UHP Nancy 1, BP 239, 54506 Vandoeuvre-lès-Nancy , France,
L’article en diagonale
Des résultats acquis récemment par le télescope ISO (Infrared Space Observa-
tory) ont mis en évidence des signatures spectrales caractéristiques de carbona-
tes autour d’étoiles en n de vie et de proto-étoiles, suggérant l’éventualité de la
présence d’eau liquide à l’extérieur de notre Système Solaire. Grâce à un nou-
veau dispositif expérimental susceptible de reproduire au laboratoire les pro-
cessus de condensation hors-équilibre se produisant dans ces environnements
astrophysiques, nous avons montré que la condensation de carbonates était pos-
sible à partir d’un gaz de composition élémentaire cosmique, en absence d’eau
liquide mais en présence de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone gazeux, deux
molécules aisément détectées par ISO dans ce type d’environnements circums-
tellaires. La future détection de carbonates extra-solaires n’implique donc plus
nécessairement la présence d’eau liquide. L’utilisation de la détection de carbo-
nates dans notre galaxie comme traceur d’environnements favorables à l’appa-
rition de la vie est dès lors fortement remise en cause.

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Depuis de nombreuses années, les astrophysiciens sont à la recherche, dans
les environnements extra-solaires, de signatures spectrales caractéristiques de
minéraux formés en milieu aqueux, comme par exemple les carbonates, pour
tester l’éventualité de la présence d’eau liquide à l’extérieur de notre Système
Solaire. Récemment, les résultats acquis à partir du télescope ISO (Infrared
Space Observatory) ont suggéré la présence de tels minéraux autour de restes
d’étoiles mortes et autour de jeunes systèmes solaires en cours de formation
(également appelés proto-étoiles). Ces observations semblent remettre en cause
l’association selon laquelle la présence de carbonates dans un milieu naturel
traduirait nécessairement la présence d’eau liquide dans ce milieu. En effet, il
semble difcile d’admettre la présence d’eau liquide dans des environnements
où il n’existe pas de corps planétaires et où seule de la poussière nement
divisée est observée. Pour expliquer ces observations, il a été proposé que les
carbonates pourraient se former par réaction entre les manteaux glacés et les
noyaux silicatés des poussières cosmiques ou par altération aqueuse des grains
silicatés. Ces deux mécanismes semblent hautement improbables, le premier
nécessitant des diffusions et des réarrangements intramoléculaires complexes
au sein de solides très froids, le second semblant totalement hors de question
compte tenu des températures et pressions très basses du milieu dans lequel ces
grains silicatés évoluent. Il est donc essentiel de comprendre les mécanismes
de formation de ces carbonates dans ces objets astrophysiques an de pouvoir
inrmer ou conrmer ces observations et, le cas échéant, de vérier si la pré-
sence de carbonates dans des observations astronomiques peut apporter ou non
un diagnostic able de la présence d’eau liquide dans ces objets et donc «
in ne « dans notre Galaxie. Un tel diagnostic constituerait un des éléments
importants à la réponse concernant la possibilité de présence de vie hors du
Système Solaire.
Que ce soit dans les environnements d’étoiles en n de vie ou de proto-étoi-
les, les processus de condensation, c’est-à-dire de passage de la phase gazeuse
à la phase solide, mènent à la formation de poussières, dites poussières cosmi-
ques. Dans le cas des étoiles en n de vie, ces grains se forment lorsque l’étoile
expulse sa matière gazeuse dans l’espace interstellaire. Ces grains voyagent
ensuite dans le milieu interstellaire et viennent se concentrer au niveau de
nuages de poussières et de gaz (appelés nuages moléculaires denses) où ils par-
formation des poussières cosmiques par condensation
découverte de carbonates à l’extérieur de notre Système Solaire et
implications sur la présence d’eau liquide dans notre Galaxie.
quelques détails supplémentaires

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ticipent à la formation de nouvelles étoiles, telles que notre Soleil. La forma-
tion de nouvelles étoiles se fait par effondrement gravitationnel de ces nuages
moléculaires. Lors de cet effondrement, de nouveaux grains se forment par
condensation du gaz. L’ensemble des grains s’agglomère par la suite pour
former les planètes. Les processus de condensation sont donc essentiels car
ils mènent à la formation de nouveaux grains qui auront un rôle crucial au
niveau de la naissance de nouveaux systèmes planétaires. Ces processus de
condensation peuvent avoir lieu à l’équilibre thermique ou hors-équilibre. Les
modèles thermodynamiques de condensation à l’équilibre ne prévoyant pas la
formation de carbonates par condensation d’un gaz de composition cosmique,
nous avons simulé au laboratoire des processus de condensation hors-équilibre
pouvant régner dans certains environnements astrophysiques an de détermi-
ner s’ils pouvaient mener à la formation de carbonates.
Nous avons développé un nouveau protocole opératoire basé sur la vapori-
sation d’une cible par laser, suivie d’une condensation dans une atmosphère
contrôlée. Ce protocole nous a permis pour la première fois de réaliser des
synthèses minérales contrôlées, par condensation loin de l’équilibre thermique
de gaz de composition cosmique. A basse pression, basse température et en
présence de faible quantité de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone, nous
avons réussi à co-synthétiser des silicates amorphes, le principal composant
de la poussière cosmique, avec des carbonates dont la signature infrarouge est
identique à celle observée dans les environnements astrophysiques. Les condi-
tions physiques de nos expériences sont analogues à celles des environnements
dans lesquels les carbonates ont été effectivement observés, et pour lesquels la
présence de vapeur d’eau et de dioxyde de carbone est bien documentée .
Dans les étoiles en n de vie, la matière gazeuse est expulsée dans l’es-
pace sous forme de vents à grande vitesse. C’est au cours de cette expulsion
que peuvent se produire des phénomènes de condensation hors-équilibre car la
matière gazeuse, soumise à de fortes vitesses, à tendance à se condenser à des
températures inférieures à sa température de condensation à l’équilibre. Ainsi,
comme dans nos expériences, un gaz silicaté se condense loin de l’équilibre
thermique dans un environnement où vapeur d’eau et dioxyde de carbone sont
observés.
Les étoiles en formation montrent une activité intense liée à l’émission de
jets énergétiques associés à des processus d’irradiation. Ceci peut entraîner
la vaporisation de poussières cosmiques existantes dans des vents énergéti-
un nouvel appareil expérimental pour simuler la condensation en
milieux circumstellaires

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ques puis une condensation loin de l’équilibre, par exemple, au niveau de l’en-
veloppe interne de l’étoile en formation où sont présentes vapeur d’eau et
dioxyde de carbone. Toutes les conditions requises pour former des carbona-
tes par condensation hors-équilibre semblent être présentes dans les environ-
nements astrophysiques dans lesquels ils ont été observés. C’est pourquoi le
mécanisme de condensation ayant lieu dans nos expériences est transposable
au milieu stellaire an d’expliquer la présence de carbonates dans les étoiles
en n de vie ou en formation.
Ce travail constitue un premier pas vers la compréhension de la formation
des poussières cosmiques par condensation hors-équilibre. Grâce à ces résul-
tats expérimentaux, nous avons montré que la condensation de carbonate était
possible dans des environnements stellaires et ce en absence d’eau liquide. La
future détection de carbonates extra-solaires n’implique donc plus nécessaire-
ment la présence d’eau liquide, voire même de corps planétaires. L’utilisation
de la détection de carbonates dans notre Galaxie comme traceur d’environne-
ments favorables à l’apparition vie est dès lors fortement remise en cause.
Résultat d’une
expérience de
condensation au
laboratoire à partir
d’un gaz de
composition cosmique.
A la recherche de l’eau liquide dans notre Galaxie