Découverte : des vapeurs de métaux dans l'atmosphère glacée des comètes

La comète C/2016 R2 photographiée depuis l'observatoire de Paranal. Crédit : ESO/SPECULOOS Team/E. Jehin
Surprise : en réexaminant des observations remontant à 1997, Emmanuel Jehin et ses collègues ont identifié du fer et du nickel gazeux dans une vingtaine de comètes. Cette découverte inattendue pourrait trahir la présence de molécules « organométalliques », qui jouent un rôle important dans la chimie du vivant.

Vous êtes un spécialiste des petits corps du Système solaire, et en particulier des comètes que vous observez depuis de nombreuses années. Pourquoi avez-vous été surpris par la présence de vapeurs de fer et de nickel dans ces objets ?

Emmanuel Jehin Crédit : Université de Liège
Crédit : Université de Liège

Emmanuel Jehin : Avec mes collègues de l’université de Liège, nous étudions depuis une vingtaine d’années la composition chimique des comètes en utilisant des spectres à haute résolution obtenus avec le VLT (Very Large Télescope) au Chili. Il y a trois ans, nous avons remarqué dans certaines d’entre elles des raies d’émission que nous n’avions pas identifiées jusqu’alors. Il s’agissait de raies de fer et de nickel traduisant la présence de ces atomes métalliques libres dans l’atmosphère des comètes. Puis en analysant en détail les spectres d’une vingtaine d’autres comètes, nous nous sommes rendu compte que ces raies étaient systématiquement présentes ! Nous avons vérifié cela depuis, avec des données obtenues par d’autres télescopes.

Cette présence d’atomes métalliques dans l’atmosphère des comètes, donc sous forme gazeuse, est vraiment surprenante. Pour sublimer les grains solides qui contiennent du fer et du nickel – nous savons qu’il en existe dans les différents corps du Système solaire et notamment dans les comètes –, il faut les porter à très haute température. Cela peut se produire lorsque l’une d’elles passe très près du Soleil, comme cela a été observé en 1965 avec la comète Ikeya-Seki, qui a été portée à plus de 1500 K. Mais dans notre étude, nous détectons des vapeurs de nickel et de fer dans l’atmosphère de comètes à plus de 500 millions de kilomètres du Soleil, dans des régions glacées.

Dans votre article paru dans la revue Nature, vous analysez des données qui remontent à la comète Hyakutake en 1997. Pourquoi n’a-t-on pas fait cette découverte plus tôt ?

C’est vrai, cette découverte aurait pu être réalisée il y a déjà vingt ans. Mais personne n’avait regardé cette partie du spectre avec autant de détail, car on ne s’attendait à trouver du fer et du nickel sous forme gazeuse dans l’atmosphère froide des comètes !

L’ultraviolet proche, la région du spectre où se trouvent les raies de fer et de nickel neutre, est remplie de centaines de raies moléculaires. Peu de télescopes ont accès à cette région du spectre difficile à observer. De plus, les raies du nickel et du fer sont très petites. Elle peuvent donc être cachées par le bruit de mesure. Sans l’aide d’un spectromètre à haute résolution couplé à un très grand télescope comme le VLT, il est donc très difficile de trouver la trace de ces composés. Nous avons aussi calculé que leur quantité est très faible. On l’estime à seulement 1g de fer et de nickel pour 100 kg d’eau dans la comète. Même la sonde européenne Rosetta ne semble pas avoir observé le fer et le nickel dans l’atmosphère de la comète 67P/Churymov-Gerasimenko avec son spectromètre de masse.

La comète Churyumov-Gerasimenko photographié par Rosetta en juillet 2015. © ESA/Rosetta/NAVCAM

À 500 millions de kilomètres du Soleil, la température est très basse. Comment expliquez-vous la présence de ces vapeurs de métaux ?

Il y a plusieurs hypothèses. La sublimation du fer et du nickel pourrait être causée par une température plus élevée qu’estimée habituellement dans l’atmosphère interne des comètes. Il faudrait alors invoquer un processus encore inconnu, susceptible de faire sublimer de microscopiques grains métalliques en augmentant fortement leur température.

Une autre solution, celle que nous privilégions, est d’imaginer que le fer et le nickel sont aussi présents sur le noyau des comètes sous la forme d’un matériau qui se sublime à basse température. Des composés organométalliques, liant un atome de carbone avec un métal, pourraient se dissocier sous l’action du Soleil pour libérer des atomes de fer ou de nickel. Plus précisément, nous avons pensé aux carbonyles de fer et de nickel, Fe(CO)5 et Ni(CO)4, pour lesquels nous avons calculé des températures de sublimation de seulement 75 K environ, ce qui permet d’expliquer leur présence sous forme gazeuse dans l’atmosphère des comètes.

Les composés organométalliques sont encore peu étudiés et peu connus, surtout en ce qui concerne les comètes. Leur découverte est intéressante car ils véhiculent à la fois de la matière organique et des métaux qui entrent en jeu dans le vivant et ses réactions chimiques complexes. Ce sont des molécules importantes dans le contexte de l’astrobiologie.

Vous avez trouvé les mêmes abondances de fer et de nickel dans les comètes du Système solaire et dans la comète extrasolaire 2I/Borisov. Est-ce que cela vous a surpris ?

Oui, c’est une grosse surprise ! Cela signifie probablement qu’il y a le même matériel à la surface de Borisov et que cette comète s’est formée dans des conditions physiques et chimiques similaires aux comètes de notre Système solaire. Lorsque l'on étudie les comètes, qui sont parmi les objets les plus anciens du Système solaire, toute information sur leur composition chimique permet de mieux comprendre ses premières phases, les conditions physico-chimiques qui y régnaient il y a 4,6 milliards d'années, et ses liens avec le milieu interstellaire. Les comètes sont un peu comme des fossiles pour les astronomes. La composition de Borisov nous donne des informations sur le système extrasolaire d’où elle provient.

La comète interstellaire Borisov. © ESO/O.Hainaut

Comment valider votre hypothèse à propos de la présence de composés organométalliques sur les comètes ?

Une des difficultés provient du fait que ces composés sont présents en très petite quantité. L’idéal serait de les détecter directement sur le noyau d’une comète en les analysant sur place ou en ramenant des échantillons sur Terre. Une telle mission spatiale n’est cependant pas encore planifiée. Il sera toutefois intéressant de vérifier si on les trouve dans les échantillons de l’astéroïde carboné Bennu, qui seront rapportés sur Terre prochainement par la mission américaine Osiris-Rex.

Sinon, la spectroscopie infrarouge à l’aide des futurs télescopes géants, comme l’ELT européen ou le télescope spatial JWST de la Nasa, pourraient permettre l’observation directe de ces grosses molécules. Juste après leur sublimation du noyau, mais avant leur photodissociation par les ultraviolets du Soleil.

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