Rosetta analyse l’eau de la comète Churyumov-Gerasimenko

Ne vous y trompez pas, ce n’est pas un instrument de Philae qui vient de déterminer la composition isotopique de l’eau de la comète Churyumov-Gerasimenko, mais un instrument d’analyse embarqué sur Rosetta la sonde principale qui tourne toujours autour de la comète. Cet instrument est un spectromètre de masse appelé ROSINA-DFMS (Rosetta Orbiter Sensor for Ion and Neutral Analysis, Double Focusing Mass Spectrometer). 

Churyumov-Gerasimenko en train de dégazer, vue par
Rosetta à 31 km de distance (ESA/Rosetta/Navcam)

Cet instrument permet de dénombrer les différents isotopes (types différents de noyaux d’atomes d’un même élément), en calculant des ratios, notamment pour l’hydrogène, le ratio D/H (la quantité relative de deutérium par rapport à l’hydrogène).

Le deutérium diffère de l’hydrogène « normal » par le fait que son noyau d’atome est deux fois plus lourd : au lieu de ne comporter qu’un seul proton, le deutérium se compose d’un proton plus un neutron. L’eau qui comporte une grande quantité de deutérium en lieu et place de l’hydrogène au sein de la molécule H₂O est ce qu’on appelle l’eau lourde.

Le ratio D/H est une signature de l’origine des molécules comportant de l’hydrogène. En effet, le deutérium ne peut pas être produit comme ça dans le milieu interstellaire. Il est produit soit lors de la nucléosynthèse primordiale dans les trois minutes qui ont suivi la singularité initiale il y a 13,8 milliards d’années, ou bien lors d’une nucléosynthèse stellaire, au cœur d’une étoile en train de fusionner son hydrogène.

Ce que vient de montrer l’analyse de ROSINA-DFMS, c’est que l’eau de Chury comporte 3,5 fois plus de deutérium (le ratio D/H), que ce qu’on a en moyenne dans l’eau de nos océans.

Une seule mesure de ce type avait déjà pu être effectuée in situ auprès d’une comète, c’était dans la queue de la célèbre comète de Halley, autour de laquelle avait été envoyée la petite sonde européenne Giotto à la fin des années 1980.

La méthode appliquée par la sonde Rosetta et son spectromètre de masse ROSINA-DFMS est similaire : il s’est agi de récupérer du gaz en provenance de la surface de Chury puis de l’analyser finement en « pesant » les molécules. ROSINA a la possibilité de mesurer tous les rapports isotopiques dans l’eau  indépendamment : D/H, mais aussi les isotopes de l’oxygène ¹⁷O/¹⁶O et ¹⁸O/¹⁶O. Et ROSINA est un capteur si sensible qu’il détecte le gaz émis par la sonde Rosetta elle-même, environ 1 million de molécules par centimètre cube, où on y trouve de l’eau (qui a un ratio D/H terrestre), ainsi que des molécules organiques (venant de l’hydrazine, le carburant de la sonde), et des résidus fluorés provenant de la graisse utilisée sur la sonde.

Le ratio D/H (et facteur d'enrichissement f) pour différents corps du système solaire, la valeur mesurée sur Chury est en rouge. Les losanges sont des mesures in situ (K. Altwegg et al.)

C’est à partir de la première semaine du mois d’août 2014, quand Rosetta s’est rapprochée à moins de 100 km de la surface de la comète que ROSINA-DFMS a pu entrer en action efficacement et détecter les molécules d’eau venant vraiment de la comète.

Les résultats obtenus par l’équipe internationale exploitant ROSINA (dont un nombre important de chercheurs français), pour les rapports des différents isotopes de l’eau sont publiés aujourd’hui en ligne dans la revue Science. Les valeurs obtenues sont les suivantes :

• ·         D/H      = 0,00053 +- 0,00007 
• ·         ¹⁷O/¹⁶O = 0,00037 +- 0,00009
• ·         ¹⁸O/¹⁶O = 0,0018 +- 0,0002

Pour comparer différentes teneurs en isotopes d’hydrogène, on utilise généralement une référence qui est le ratio D/H de la nébuleuse protosolaire, qui est évalué d’une part par des mesures sur l’atmosphère de Jupiter et d’autre part sur la photosphère du Soleil. Cette valeur de référence de D/H est appelée (D/H)_PSN (PSN signifiant protosolar nebula), et elle vaut (D/H)_PSN = 0,000021, valeur très proche du ratio D/H du milieu interstellaire, hors du système solaire.

La plupart des objets du système solaire sont en fait enrichis en deutérium, leur ratio D/H est plus élevé que  (D/H)_PSN. Les objets du système solaire interne, comme la Terre, la Lune ou des météorites, sur lesquels le ratio D/H a pu être mesuré, montrent une valeur environ 6 fois plus forte que la référence de la nébuleuse protosolaire. Ce facteur par rapport à la référence est ce que les astrophysiciens appellent le facteur d’enrichissement f. Le facteur d’enrichissement pour la Terre vaut 7,1, mais pour toutes les comètes qui ont pu être analysées, ce facteur est situé entre 10 et 20. Et la nouvelle valeur de Churyumov-Gerasimenko vient poser de nouvelles questions, avec un facteur d’enrichissement plus fort que toutes les autres de 25,2. Cette valeur est plus élevée que ce que l’on a pu déterminé pour différents types de comètes, venant du nuage d’Oort comme Halley ou de la ceinture de Kuiper comme la famille des comètes « joviennes » comme Chury.

Les modèles de formation du système solaire prédisent comment le deutérium au sein des molécules d’eau peut se concentrer en fonction de la distance du soleil, par des mécanismes physico-chimiques de volatilisation/recondensation. Ces mécanismes permettent de produire des modifications de teneur isotopique, avec une ségrégation des isotopes lourds par rapport aux légers.

Mais même si il se confirme qu’il existe bien une augmentation du ratio D/H avec la distance du Soleil, qui est expliquée par le modèle, en revanche cette nouvelle mesure sur Chury amène les auteurs à conclure que comme le ratio D/H des comètes de la famille « jovienne » apparaît  très hétérogène et peut varier considérablement, il est beaucoup plus probable que l’eau terrestre (ainsi que notre atmosphère) provienne d’astéroïdes, plus proches de la Terre à l’époque, que de ces lointaines comètes aux origines diverses.

Source :

67P/Churyumov-Gerasimenko, a Jupiter family comet with a high D/H ratio

K. Altwegg et al.

Science, published online (10 december 2014)