Des chercheurs français analysent des grains interstellaires rapportés par la mission Stardust de la NASA

Vendredi, 12 septembre 2014

En janvier 2006 la mission Stardust, lancée en 1999, rapportait sur Terre des échantillons de comètes et de grains interstellaires. Après huit années d’un travail original de sélection des échantillons faisant appel à la contribution de milliers de bénévoles et d’analyse par des scientifiques de différents pays des grains sélectionnés, Stardust (poussière d’étoile) a livré ses premières résultats dans la revue Science du 14 août. Une présentation complète et détaillée des résultats fera l’objet d’un numéro spécial de la revue Meteoritical and Planetary Sciences en fin d’année.
Les échantillons finalement retenus comme "candidats interstellaires" sont au nombre de 7 (dont 3 grains dans l'aérogel et quatre dans les cratères aluminium). Une équipe française composée de chercheurs d’Isterre1 (Grenoble), LGL-TPE, ENS Lyon2, UMET 3 (Lille) et de l’ESRF4 a effectué des analyses des cratères par microscopie électronique et des analyses par fluorescence/diffraction de huit grains dont un des trois candidats finaux, Orion.

  • Image NASA du collecteur SIDC déployé. © Nasa
  • « keystone » en aérogel ayant piégé 1 grain interstellaire. © Nasa
  • Collecteur avec alvéoles en aérogel et porosité de ce dernier. © Nasa


Pourquoi s’intéresser aux grains interstellaires ?

La mission STARDUST de la NASA a quitté la Terre en Février 1999 pour une période de 12 ans, dans le but de ramener des grains cométaires de la comète Wild 2 et des grains interstellaires (GIS). En Janvier 2006* on assistait au premier « retour d’échantillons extraterrestres» en bon état, depuis les missions lunaires Apollo. En effet, la mission Genesis qui devait rapporter des échantillons prélevés dans le vent solaire fin 2004 s’est écrasée à l’atterrissage.

L’étude des grains interstellaires de la mission Stardust est une étape essentielle dans l’histoire de l’exploration spatiale. Leurs propriétés sont actuellement l’objet d’étude de disciplines telles que l’Astrominéralogie et la Planétologie. Depuis longtemps des grains dits « anormaux » présents dans les météorites sont considérés comme des témoins du milieu interstellaire originel, à partir duquel notre système solaire s’est formé, et sont à ce titre appelés « pré-solaires ». Ce sont des modèles astrophysiques qui associent la composition de la matière aux étoiles dans lesquelles elle est synthétisée. L’étude des grains Stardust ouvre une possibilité de valider les modèles astrophysiques et finalement de préciser les scénarii de formation de systèmes solaires.

Des technologie et méthode d’analyse originales

Les poussières interstellaires ont été capturées dans le Stardust Interstellar Dust Collector (SIDC), il s’agissait d’une sorte de “raquette de tennis” dont les alvéoles sont en « aérogel », une mousse extrêmement légère de SiO2. Appelé parfois « solid smoke » ou « fumée solide », l’aérogel est probablement l'objet solide le plus léger sur Terre (1/1000 de la densité du verre). Il a été mis au point par la NASA afin de ralentir et piéger des grains qui arrivent à quelques km/s, sans subir les endommager.

Une originalité de cette campagne d’exploration est d’avoir su impliquer environ 30 700 volontaires dans le cadre du projet international Stardust@HOME. Chacun des capteurs a été intégralement imagés en microscopie optique confocale par tranche de quelques microns d'épaisseur. Les volontaires ont pu, après avoir passé des tests d’évaluation, scruter sur leurs ordinateurs personnels les millions de fichiers d'images et signaler les grains interstellaires potentiels. 31 grains ont ainsi été identifiés par ce "Human Intelligent Detector" à 31000 pixels humains et extraits pour des analyses ultérieures au synchrotron ou en laboratoire.,,Les grains piégés dans l'aérogel du collecteur SIDC et aussi les micro-cratères formés par les grains qui se sont écrasés sur des feuilles en aluminium du collecteur ont ensuite été analysés par une équipe internationale pré-qualifiée par la NASA – « Interstellar Preliminary Examination Team» (ISPE) – formée par 11 groupes de scientifiques des USA, d’Europe et du Japon coordonnés par le Dr. Andrew Westphal, du Space Science Laboratory de l’université de Berkeley (Californie). Les micro-cratères ont été principalement étudiés en microscopie électronique. En revanche, étant donné la rareté et l’importance de ces premiers grains SIDC, les méthodes d’analyse employées : le rayonnement synchrotron, les spectroscopies Raman et IR, devaient être non-destructives.

A quoi ressemblent les grains interstellaires ?

Avant de pouvoir en disposer de réels, l’idée que les scientifiques se faisaient des grains interstellaires était celle de grains silicatés amorphes, d’un diamètre d’environ 200 nm, ayant éventuellement une enveloppe carbonatée . Leurs tailles, densités et compositions chimiques proposées sont fortement dépendantes des modèles choisis pour les prédire, ce qui explique l’intérêt de pouvoir enfin effectuer des mesures directes comme ont pu le faire les chercheurs français.

Parmi les observations sur les grains et les cratères synthétisées publiées dans la revue Science le 14 Août 2014 celles qui interpellent le plus les scientifiques sont :
1.    le faible nombre et la taille relativement grande (> 1 µm) des grains interstellaires ;
2.    la présence du soufre (S volatile) dans les grains, ce qui était préalablement jugée comme impossible ;
3.    la cristallinité de certains grains avec la présence de minéraux silicatés contenant du Mg, Al, K, Ti, Cr, Mn, Fe, Zn, Ga etc. ;
4.    la morphologie « cottoneuse » ou le caractère pelucheux ("fluffiness") des grains de faible densité.

Comme lors du retour d’échantillons lunaires, des publication signées par les 11 responsables d'équipes définies par la NASA et coordonnées par Dr. Andrew Westphal, accompagnent la publication dans Science. Ils rapportent en détail l’ensemble des études menées lors de la campagne ISPE. Ils seront publiés avant la fin de l'année dans un numéro spécial de la revue MAPS (Meteoritical and Planetary Sciences). Ils présentent notamment comment, parmi les dizaines de grains analysés, 7 seulement ont été sélectionnés comme "candidats interstellaires", 3 grains dans l'aérogel et quatre dans les cratères aluminium. Ce mode de publication coordonnée sur deux revues différentes est une nouvelle dans le monde de l’édition, rendue nécessaire par l'importance des implications scientifiques ainsi que par la complexité des analyses, qui ne pouvaient être couvertes par le format réduit de la revue Science.

L’équipe française

L’équipe française était composée de 3 chercheurs/enseignants français relevant du CNRS (INSU) et de 3 de leurs collaborateurs directs du synchrotron Européen de Grenoble (ESRF). Sont co-auteurs du premier article paru dans Science : Alexandre Simionovici, professeur à ISTerre, Univ. J. Fourier, Grenoble, Laurence Lemelle, chercheuse CNRS au LGL-TPE, ENS Lyon, Hugues Leroux, prof. à l'UMET, Univ. de Lille, pour les analyses des cratères par microscopie électronique ; P. Cloetens, V.A. Solé et J.A. Sans Tresseras scientifiques de l’ESRF pour les analyses de fluorescence/diffraction sur huit grains dont un des trois candidats finaux, Orion.

Note(s): 

* Les grains cométaires Stardust ont fait le sujet de 7 papiers Science à l'automne 2006 (réf. Brownlee, Zolensky, Flynn, Sandford, Keller, McKeegan, Hörz).

1-Institut des sciences de la Terre de Grenoble (UJF, CNRS, Univ de Savoie, IRD, IFSTTAR / OSUG)

2-Laboratoire de géologie de l'ENS Lyon - Terre Planète Environnement (CNRS, ENS de Lyon, Université de Lyon)

3-Unité matérieaux et transformation (CNRS, Université Lille 1)

4-European synchrotron radiation facility

Source(s): 

Evidence for interstellar origin of seven dust particles collected by the Stardust spacecraft, Andrew J. Westphal1,*, Rhonda M. Stroud2, Hans A. Bechtel3, Frank E. Brenker4, Anna L. Butterworth1, George J. Flynn5, David R. Frank6, Zack Gainsforth1, Jon K. Hillier7, Frank Postberg7, Alexandre S. Simionovici8, Veerle J. Sterken9,10,11,12, Larry R. Nittler13, Carlton Allen14, David Anderson1, Asna Ansari15, Saša Bajt16, Ron K. Bastien6, Nabil Bassim2, John Bridges17, Donald E. Brownlee18, Mark Burchell19, Manfred Burghammer20, Hitesh Changela21, Peter Cloetens22, Andrew M. Davis23, Ryan Doll24, Christine Floss24, Eberhard Grün25, Philipp R. Heck15, Peter Hoppe26, Bruce Hudson27, Joachim Huth26, Anton Kearsley28, Ashley J. King23, Barry Lai29, Jan Leitner26, Laurence Lemelle30, Ariel Leonard24, Hugues Leroux31, Robert Lettieri1, William Marchant1, Ryan Ogliore32, Wei Jia Ong24, Mark C. Price19, Scott A. Sandford33, Juan-Angel Sans Tresseras22, Sylvia Schmitz4, Tom Schoonjans20, Kate Schreiber24, Geert Silversmit20, Vicente A. Solé22, Ralf Srama34, Frank Stadermann24,†, Thomas Stephan23, Julien Stodolna1, Stephen Sutton29, Mario Trieloff7, Peter Tsou35, Tolek Tyliszczak3, Bart Vekemans20, Laszlo Vincze20, Joshua Von Korff1, Naomi Wordsworth36, Daniel Zevin1, Michael E. Zolensky14, Science 15 August 2014: Vol. 345 no. 6198 pp. 786-791 ; DOI: 10.1126/science.1252496


Stardust Interstellar Preliminary Examination VI: Quantitative elemental analysis by synchrotron X-ray fluorescence nanoimaging of eight impact features in aerogel, Alexandre S. Simionovici, Laurence Lemelle, Peter Cloetens, Vicente A. Solé, Juan-Angel Sans Tresseras, Andrew Westphal et al. Sous presse dans Meteoritical and Planetary Sciences fin 2014

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