La composition des comètes Des indices sur nos origines
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La composition des comètes Des indices sur nos origines Dominique Bockelée-Morvan Réservoirs de comètes Nuage de Oort • Comètes à longue période • formées au voisinage des planètes géantes Ceinture de Kuiper •Comètes à courte période (famille de Jupiter) •Formées près de Neptune La formation des comètes intimement liée à celle du Système Solaire Vestiges des planétésimaux présents dans les régions externes du Système Solaire qui ont formé les planètes géantes Objets primitifs : conservés dans des environnements très froids T(surface) = 40 K (-230 °C) environ dans la ceinture de Kuiper bémol : famille de Jupiter, fragments de corps plus gros (car collisions) Leurs propriétés chimiques nous renseignent sur la physico-chimie du Système Solaire primitif Composition des comètes : Matière interstellaire provenant du nuage interstellaire pré-solaire ? Matière formée dans les régions internes ou externes du disque ? Le nuage de Oort et la Ceinture de Kuiper sont-ils chimiquement similaires ? Rôle des comètes dans l’apport de molécules prébiotiques sur Terre ? Contribution aux océans terrestres ? PhotoDissociation (UV ) Sublimation PhotoIonisation C H C HCO H2CO CH HCN N CO CO2 CH3OH CN O CO+ HNC HCO+ CH3CN NH2 NH3 jets poussières O OH H2O CS H SO2 H2S poussière C3 S atomes Radicaux C H3O+ CH C2H2 CH4 C2H6 C2 H2O+ ions Queue d'ions IRAM Vent solaire: protons et électrons 300-800 km/s VLT (ESO) Queue de poussières Stardust photons SOLEIL C/1999 H1 (Lee) Keck/NIRSPEC Mumma et al. (2001) Crovisier et al. 2004A&A 418, L35, 2004 Composition moléculaire grande richesse molécules complexes (ex: glycol) Molécules hydrogénées/oxygénées Molécules saturées/non saturées 5 ordres de grandeur dans les abondances Fortes similitudes avec les régions de formation d’étoiles Formation par les mêmes mécanismes que les molécules interstellaires : • réactions ion-molécule, et à la surface des grains à basse température Origine : grains interstellaires ou formation dans les régions extérieures du disque Abondances relatives en % par rapport à l’eau Analogies avec les « hot cores » et les flots bipolaires Bockelée-Morvan et al. 2000 Diversité chimique des comètes Noir : Comètes de la ceinture de Kuiper Rouge : Comètes du nuage de Oort Crovisier et al. 2009 Grande diversité dans les deux populations, et pas de différence notable entre les deux populations Pas de corrélation entre volatilité and variabilité (e.g., glaces de HCN et CH3OH ont la même volatilité) Composition de la matière réfractaire Poussières cométaires: silicates et matière organique Minéraux présents dans les météorites et formés à haute température Olivine cristalline, anorthite … Inclusions riches en Ca-Al, chondrules Peu de grains pré-solaires –présence de silicates amorphes d’origine interstellaire Acides aminés : glycine • Les comètes ont incorporé des matériaux formés à haute température dans les régions internes de la nébuleuse • Continuum comètes-astéroïdes - matériaux similaires mais distincts Important mélange radial dans la nébuleuse avant la formation des comètes Diffusion par turbulence dans le plan du disque Irradiation X des bords du disque Stardust Le rapport deutérium/hydrogène dans l’eau des comètes • Traceur des conditions de formation de la molécule d’eau • Permet de quantifier la contribution des comètes aux océans terrestres Etat des lieux en 2010 • D/H = 3 x 10-4 pour les comètes du nuage de Oort • Implique que l’eau s’est formée à basse température dans le nuage présolaire ou les régions extérieures du disque • Deux fois la valeur terrestre : -> faible contribution des comètes aux océans terrestres (< 10%) • Origine de l’eau des océans : matériaux type chondrites carbonées (D/H ~ valeur terrestre) - astéroïdes primitifs (C, D) de la ceinture principale Origine de l’eau des océans • La temperature at 1 UA était trop faible pour que la glace se condense (ligne des glaces à 2,7 UA) • La Terre s’est formée à partir de matériaux pauvres en eau (type chondrites à enstatite) • L’eau, et la matière organique, a une origine externe: astéroïdes, comètes ou météorites • Théorie du ’’water-rich late embryos’’ Accrétion de matériaux riches en eau (type chondrites carbonées) dans la dernière phase de formation de la Terre (gros embryons ~ 1000 km) Ligne des glaces • Une petite fraction pendant la phase du bombardement tardif (+700 Ma) Mesures du D/H avec Herschel Herschel • Télescope spatial de l’Agence Spatiale Européenne • lancé en mai 2009, opérationnel -> mars 2013 • 3 instruments dans les domaines IR et submillimétrique (50 – 670 µm) PACS, SPIRE, HIFI Programme Temps garanti HSSO sur le Système Solaire • 90 h sur les comètes Bockelée-Morvan et al. 2011 H2O : comète 103P/Hartley 2 • Première mesure du D/H dans une comète de la famille de Jupiter provenant de la ceinture de Kuiper • D/H = (1.61±0.24)×10-4 Egal à la valeur des océans terrestres • Un facteur 2 inférieur à la valeur des comètes du nuage de Oort • Résultat inattendu : valeur supérieure attendue par les modèles car formées plus loin du Soleil (dans la ceinture de Kuiper) Herschel Quelles sont les implications? Bockelée-Morvan et al. 2012 les comètes présentent une diversité en D/H: fortes variations (gradient ?) en D/H dans la nébuleuse avant leur formation formation des comètes du nuage de Oort dans des régions distinctes du disque mélange radial lié à la migration des planètes ? il est possible q’une fraction significative des océans proviennent des comètes apport d’organiques ? Scénario Grand Tack Migration des planètes - mélange radial des planétésimaux Walsh et al., Nature 2011 •Migration de Jupiter suivie de celle de Saturne •Type 2 ‘’inward migration’’ en présence de gaz • TNOs sur des orbites très excentriques croisant l’orbite de la Terre Résumé • Les comètes sont un assemblage de matériaux de type interstellaire et de matériaux formés dans les régions internes du disque • La nébuleuse solaire a subi un mélange radial extrême transportant la matière des régions internes vers les régions extérieures du disque • La diversité de leur composition témoigne de la forte hétérogénéité du disque concernant sa composante volatile (glaces) et de l’évolution dynamique du système solaire avant la formation du nuage de Oort • Les comètes de la ceinture de Kuiper sont un réservoir potentiel d’eau terrestre et de molécules prébiotiques
