La détection de carbonates extra-solaires n'implique plus nécessairement la présence d'eau liquide

Mercredi, 26 octobre 2005

Des résultats acquis récemment par le télescope ISO ont mis en évidence des signatures spectrales caractéristiques de carbonates autour d'étoiles en fin de vie et de proto-étoiles, suggérant l'éventualité de la présence d'eau liquide à l'extérieur de notre système solaire. Grâce à un nouveau dispositif expérimental susceptible de reproduire au laboratoire les processus de condensation hors-équilibre se produisant dans ces environnements astrophysiques, des chercheurs du CRPG ont montré que la condensation de carbonates était possible à partir d'un gaz de composition élémentaire cosmique, en absence d'eau liquide mais en présence de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone gazeux, deux molécules aisément détectées par ISO dans ce type d'environnements circumstellaires. La future détection de carbonates extra-solaires n'implique donc plus nécessairement la présence d'eau liquide. L'utilisation de la détection de carbonates dans notre galaxie comme traceur d'environnements favorables à l'apparition de la vie est dès lors fortement remise en cause.


Résultat d'une expérience de condensation au laboratoire à partir d'un gaz de composition cosmique.

Découverte de carbonates à l'extérieur de notre système solaire et implications sur la présence d'eau liquide dans notre galaxie

Depuis de nombreuses années, les astrophysiciens sont à la recherche, dans les environnements extra-solaires, de signatures spectrales caractéristiques de minéraux formés en milieu aqueux, comme par exemple les carbonates, pour tester l'éventualité de la présence d'eau liquide à l'extérieur de notre système solaire. Récemment, les résultats acquis à partir du télescope ISO ont suggéré la présence de tels minéraux autour de restes d'étoiles mortes et autour de jeunes systèmes solaires en cours de formation (également appelés proto-étoiles). Ces observations semblent remettre en cause l'association selon laquelle la présence de carbonates dans un milieu naturel traduirait nécessairement la présence d'eau liquide dans ce milieu. En effet, il semble difficile d'admettre la présence d'eau liquide dans des environnements où il n'existe pas de corps planétaires et où seule de la poussière finement divisée est observée. Pour expliquer ces observations, il a été proposé que les carbonates pourraient se former par réaction entre les manteaux glacés et les noyaux silicatés des poussières cosmiques ou par altération aqueuse des grains silicatés. Ces deux mécanismes semblent hautement improbables, le premier nécessitant des diffusions et des réarrangements intramoléculaires complexes au sein de solides très froids, le second semblant totalement hors de question compte tenu des températures et pressions très basses du milieu dans lequel ces grains silicatés évoluent. Il est donc essentiel de comprendre les mécanismes de formation de ces carbonates dans ces objets astrophysiques afin de pouvoir infirmer ou confirmer ces observations et, le cas échéant, de vérifier si la présence de carbonates dans des observations astronomiques peut apporter ou non un diagnostic fiable de la présence d'eau liquide dans ces objets et donc « in fine » dans notre galaxie. Un tel diagnostic constituerait un des éléments importants à la réponse concernant la possibilité de présence de vie hors du système solaire.

Formation des poussières cosmiques par condensation

Que ce soit dans les environnements d'étoiles en fin de vie ou de proto-étoiles, les processus de condensation, c'est-à-dire de passage de la phase gazeuse à la phase solide, mènent à la formation de poussières, dites poussières cosmiques. Dans le cas des étoiles en fin de vie, ces grains se forment lorsque l'étoile expulse sa matière gazeuse dans l'espace interstellaire. Ces grains voyagent ensuite dans le milieu interstellaire et viennent se concentrer au niveau de nuages de poussières et de gaz (appelés nuages moléculaires denses) où ils participent à la formation de nouvelles étoiles, telles que notre Soleil. La formation de nouvelles étoiles se fait par effondrement gravitationnel de ces nuages moléculaires. Lors de cet effondrement, de nouveaux grains se forment par condensation du gaz. L'ensemble des grains s'agglomère par la suite pour former les planètes. Les processus de condensation sont donc essentiels car ils mènent à la formation de nouveaux grains qui auront un rôle crucial au niveau de la naissance de nouveaux systèmes planétaires. Ces processus de condensation peuvent avoir lieu à l'équilibre thermique ou hors-équilibre. Les modèles thermodynamiques de condensation à l'équilibre ne prévoyant pas la formation de carbonates par condensation d'un gaz de composition cosmique, les chercheurs ont simulé au laboratoire des processus de condensation hors-équilibre pouvant régner dans certains environnements astrophysiques afin de déterminer s'ils pouvaient mener à la formation de carbonates.

Un nouvel appareil expérimental pour simuler la condensation en milieux circumstellaires

Les chercheurs ont développé un nouveau protocole opératoire basé sur la vaporisation d'une cible par laser, suivie d'une condensation dans une atmosphère contrôlée. Ce protocole leur a permis pour la première fois de réaliser des synthèses minérales contrôlées, par condensation loin de l'équilibre thermique de gaz de composition cosmique. A basse pression, basse température et en présence de faible quantité de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone, ils ont réussi à co-synthétiser des silicates amorphes, le principal composant de la poussière cosmique, avec des carbonates dont la signature infrarouge est identique à celle observée dans les environnements astrophysiques. Les conditions physiques de ces expériences sont analogues à celles des environnements dans lesquels les carbonates ont été effectivement observés, et pour lesquels la présence de vapeur d'eau et de dioxyde de carbone est bien documentée.

Dans les étoiles en fin de vie, la matière gazeuse est expulsée dans l'espace sous forme de vents à grande vitesse. C'est au cours de cette expulsion que peuvent se produire des phénomènes de condensation hors-équilibre car la matière gazeuse, soumise à de fortes vitesses, à tendance à se condenser à des températures inférieures à sa température de condensation à l'équilibre. Ainsi, comme dans ces expériences, un gaz silicaté se condense loin de l'équilibre thermique dans un environnement où vapeur d'eau et dioxyde de carbone sont observés.

Les étoiles en formation montrent une activité intense liée à l'émission de jets énergétiques associés à des processus d'irradiation. Ceci peut entraîner la vaporisation de poussières cosmiques existantes dans des vents énergétiques puis une condensation loin de l'équilibre, par exemple, au niveau de l'enveloppe interne de l'étoile en formation où sont présentes vapeur d'eau et dioxyde de carbone. Toutes les conditions requises pour former des carbonates par condensation hors-équilibre semblent être présentes dans les environnements astrophysiques dans lesquels ils ont été observés. C'est pourquoi le mécanisme de condensation ayant lieu dans ces expériences est transposable au milieu stellaire afin d'expliquer la présence de carbonates dans les étoiles en fin de vie ou en formation.

A la recherche de l'eau liquide dans notre Galaxie

Ce travail constitue un premier pas vers la compréhension de la formation des poussières cosmiques par condensation hors-équilibre. Grâce à ces résultats expérimentaux, les chercheurs ont montré que la condensation de carbonate était possible dans des environnements stellaires et ce en absence d'eau liquide. La future détection de carbonates extra-solaires n'implique donc plus nécessairement la présence d'eau liquide, voire même de corps planétaires. L'utilisation de la détection de carbonates dans notre Galaxie comme traceur d'environnements favorables à l'apparition de la vie est dès lors fortement remise en cause.

Source(s): 

A condensation origin for circumstellar carbonates,
Toppani et al.,
Nature 20 octobre 2005

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