Première mesure de la composition isotopique de l'oxygène du Soleil

La composition isotopique de l'oxygène présent dans le Soleil vient d'être mesurée pour la première fois, grâce à l'étude d'un fragment de sol prélevé sur la Lune il y a plus de trente ans par Apollo 17. Les couches superficielles de grains de métal ayant absorbé du vent solaire ont été analysées par la sonde ionique(1) du CRPG(2) de Nancy. Un chercheur de ce laboratoire et un collègue japonais(3) démontrent que la composition isotopique de l'oxygène du Soleil et de la nébuleuse à l'origine du système solaire est très différente de celle de la Terre, de Mars et de l'essentiel des météorites.

Quelques grains du sol lunaire 79035 échantillonné par la mission Apollo 17.

Comment les premiers minéraux, constituant les planètes du système solaire, ont-ils été fabriqués il y a 4,5 milliards d'années à partir du gaz de la nébuleuse solaire ? L'empreinte des mécanismes à l'oeuvre a été recherchée dans les météorites primitives, pouvant être considérées comme des fossiles des premiers temps du système solaire. Leur analyse a révélé de très grandes variations de la composition isotopique de leur oxygène. Dans sa forme stable, l'atome d'oxygène peut avoir 8, 9 ou 10 neutrons dans son noyau. ¹⁶O est l'isotope le plus abondant et sur Terre, ¹⁷O et ¹⁸O représentent en moyenne 0,04% et 0,2% de l'oxygène total. Cependant dans les météorites primitives ces proportions varient de plus de 5% en relatif.

Cette variation est un excellent traceur des processus physiques ou chimiques ayant régi la fabrication des premiers minéraux. Mais elle ne peut pas s'expliquer avec les processus physiques et chimiques classiques (évaporation, condensation, fusion, cristallisation ou interaction avec de l'eau). Différentes hypothèses ont été avancées, mais le concensus était impossible tant que la composition isotopique de l'oxygène de la nébuleuse à l'origine du système solaire était inconnue. Or c'est à priori la même que celle de l'atmosphère du Soleil aujourd'hui, car près de 99% de la masse totale du système solaire est dans le Soleil. Aucun processus connu ne devrait l'avoir modifiée depuis 4,5 milliards d'années.

La connaissance de la composition isotopique de l'oxygène du Soleil est un tel enjeu scientifique que la NASA a effectué la mission spatiale Genesis pour collecter du vent solaire, un flux de particules émises par le Soleil dans tout le système solaire. Bien que la sonde avait percuté le sol de l'Utah à plus de 300 km/h, la NASA n'a pas renoncé à l'exploitation des échantillons de particules. Certaines analyses ont déjà commencé.

Cependant il existe un autre moyen pour obtenir des échantillons de Soleil : l'analyse des minéraux des sols lunaires ramenés par les missions Apollo. La Lune n'ayant pas d'atmosphère ni de champ magnétique, sa surface est en permanence exposée au vent solaire. Les particules solaires, selon leur énergie, s'implantent dans les minéraux du sol sur des profondeurs allant de la dizaine de nanomètres au micromètre. Certains grains de métal, issus soit d'une cristallisation des magmas lunaires, soit de l'apport de métal météoritique par impacts sur la Lune, ne contiennent pas d'oxygène structural. Tout l'oxygène qu'on y trouve vient directement du Soleil.

Grâce à l'utilisation de la sonde ionique à grande sensibilité du CRPG de Nancy, il a été possible d'analyser la composition isotopique de l'oxygène dans ces couches minces à la surface des grains lunaires. Sur les 199 grains magnétiques extraits du sol lunaire 79035 (Apollo 17), 38 présentaient des surfaces permettant une analyse par sonde ionique. Parmi ces 38 grains un signal provenant de l'oxygène du vent solaire implanté a été détecté dans 8 grains : un enrichissement en ¹⁶O vers 1 micromètre de profondeur d'au moins 2% (en relatif) par rapport à la composition isotopique de l'oxygène de la Terre, de Mars et des astéroïdes.

Cet enrichissiment ne peut être produit que par un nombre très limité de processus opérant dans le gaz : soit des réactions chimiques non dépendantes de la masse, soit une irradiation du gaz de la nébuleuse par une lumière ultraviolette intense, probablement celle provenant du Soleil jeune. Les modélisations de ces processus devraient permettre de préciser la distance au Soleil à partir de laquelle les premiers minéraux ont été produits. A une distance de plusieurs unités astronomiques(4), correspondant à la position actuelle des planètes ? Ou très près du Soleil, avant de s'en éloigner ?