jeudi 1 septembre 2016

La sonde Rosetta sort son microscope pour étudier la poussière de Chury

Trente jours avant son crash sur la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko en forme d'apothéose , la sonde Rosetta fait encore parler d'elle, ou du moins les données de ses instruments : une nouvelle publication révèle aujourd'hui, via des mesures inédites, la structure des particules de poussière de la comète, éclairant ainsi les processus qui ont formé le système solaire.




Les systèmes stellaires comme notre système solaire se sont formés à partir de poussières dans une nébuleuse protoplanétaire, mélange de nuages de gaz et de poussières. Ces particules de poussière se seraient lentement agglomérées pour former éventuellement des planétésimaux, des petits corps, briques élémentaires des planètes. Les comètes comme Chury sont les résidus de ces planétésimaux, faites de glace et de poussières, avec une taille comprise entre quelques centaines de mètres à quelques dizaines de kilomètres.

Les comètes passent la plupart de leur vie à la périphérie du système solaire - bien à l'abri des radiations et des températures élevées, tout en évitant les collisions avec d'autres objets. On estime ainsi qu'elles ont préservé le matériau d'origine de la nébuleuse protoplanétaire. En étudiant les comètes, nous pouvons ainsi en apprendre beaucoup sur les processus qui ont donné naissance au système solaire, même si ces processus ont eu lieu il y a près de 5 milliards années.
Des analyses antérieures avaient déduit les propriétés des particules de poussière cométaire à partir de leurs interactions avec la lumière du soleil. L'une de ces premières analyses indiquait que ces particules n'étaient pas des objets solides compacts, mais plutôt des agrégats de minuscules grains de taille sub-micrométrique. La structure des grains de poussière a également pu être investiguée grâce aux particules de poussière interplanétaire (les IDP, Interstellar Dust Particles) qui peuvent être recueillies dans la haute atmosphère de la Terre, mais aussi directement dans l'espace comme avec la sonde spécialisée Stardust, qui a recueilli des milliers de particules de poussière lors de son survol de la comète WILD 2 en janvier 2004 et avait rapporté ses échantillons sur Terre en 2006.
Cependant, ni les IDP, ni les échantillons de Stardust n'étaient vierges de toute altération. Les IDP sont affectées par leur longue exposition au rayonnement solaire, et par des collisions avec d'autres particules de poussière et les interactions avec l'atmosphère terrestre. Dans le cas des échantillons de Stardust, la sonde avait collecté des particules de poussière à une distance de plusieurs centaines, voire milliers de kilomètres de la surface de la comète et au cours de leur transport entre la comète et le collecteur, leurs propriétés ont pu changer à la suite de l'évaporation des composants volatils, la destruction possible de composés organiques complexes ou la fragmentation des particules elles-mêmes. L'impact des poussières dans le détecteur de Stardust à une vitesse de plusieurs kilomètres par seconde ne les a pas non plus arrangées... La connaissance des poussières était donc incomplète.

Le gros intérêt de l'analyse effectuée par Rosetta est qu'elle a pu s'approcher à très faible distance de la comète, qu'elle a survolé à seulement quelques kilomètres (et bientôt encore moins), et à faible vitesse relative. Les grains de poussière qu'elle a collectés et analysés n'étaient ainsi que très peu détériorés.
Ces particules de poussière ont d'abord été analysées à l'aide de l'instrument appelé COSIMA (Cometary Secondary Ion Mass Analyser), qui a permis de recueillir et d'imager des particules agrégées faisant quelques centaines de micromètres de diamètre. Ces agrégats de grains révélés par COSIMA avaient des tailles contredisant les études antérieures sur les IDP et les échantillons de Stardust qui eux indiquaient des grains de taille sub-micrométrique.
Dans cette nouvelle étude, qui est parue cette semaine dans la revue Nature, l'équipe de Mark Bentley a exploité un autre instrument de pointe de Rosetta : le microscope MIDAS (Micro-Imaging Analysis System Dust de Rosetta). Vous ne le saviez peut-être pas, mais la sonde Rosetta est munie d'un microscope à force atomique, un supermicroscope qui permet de voir des détails de quelques nanomètres seulement!..

MIDAS permet d'analyser les particules de poussière recueillies, à l'aide d'une pointe, une sorte d'aiguille qui fournit une image 3D des particules avec une résolution maximale d'environ 4 nm.
Ce que montrent les images de MIDAS, c'est que les "gros" grains vus par COSIMA sont en fait construits à partir d'encore plus petits grains, sub-micrométriques. La découverte réconcilie les anciennes analyses et révèle par ailleurs la nature hiérarchique des particules de poussière.
Cette structure hiérarchique, formation de gros grains à partir de plus petits, avait été émise comme hypothèse dans le passé par certains chercheurs. Les modèles des couches supérieures des surfaces cométaires fournissaient par exemple des résultats plus réalistes lorsque ces couches étaient supposées formées de particules de poussière hiérarchisées. Une autre étude avait constaté que la croissance hiérarchique était nécessaire pour reproduire la distribution de taille des poussières qui fournissait le meilleur ajustement aux caractéristiques observées de la nébuleuse protoplanétaire .
D'autre part, Mark Bentley et ses collègues mettent en évidence que les plus petits grains de poussière sont tous de forme sphéroïdale, en forme de ballons de rugby, avec un grand axe environ 3 fois plus grand que leur petit axe. Une telle forme avait déjà été proposée dans un modèle de poussière il y a trente an, dans lequel les poussières cométaires n'étaient autres que des agrégats de poussière interstellaire.

Ces résultats impressionnants améliorent notre compréhension de la nature de la poussière cométaire, et par là même des processus qui ont donné naissance à notre système solaire. En s'écrasant le 30 septembre à la surface de Chury, Rosetta laissera derrière elle un petit nuage de poussières primordiales...


Sources :

Aggregate dust particles at comet 67P/Churyumov–Gerasimenko
Mark S. Bentley et al.
Nature 537, 73–75 (01 September 2016)

Planetary science: Cometary dust under the microscope
Ludmilla Kolokolova
Nature 537, 37–38 (01 September 2016) 


Illustrations :

1) A gauche : poussière imagée avec COSIMA où les particules sont des agrégats de grains ayant un diamètre de plusieurs micromètres. A droite : image 3D produite avec le microscope MIDAS d'un des grains, montrant une structure agrégée de grains sub-micrométriques. (ESA/Rosetta)

2) Vue zoomée (5 μm × 5 μm) où le pixel a une résolution de 80 nm,la couleur représente l'épaisseur des grains.(ESA/Rosetta, M. Bentley et al.)