Sur les astéroïdes de fer, les astrophysiciens prédisent des paysages fantastiques

Vue au microscope électronique d'un nappage de verre résultant de l'impact d'une bille de basalte sur une météorite ferreuse. L'image (colorisée) fait 250 microns de large. Crédit : Libourel et al., Sci. Adv. 2019
A trois ans du lancement de la sonde américaine Psyche vers l’astéroïde du même nom – le tout premier astéroïde de fer jamais visité – une équipe franco-japonaise lève le voile sur ce que pourrait être sa surface nappée de verre...

Imaginez, sous un ciel noir, un sol fracassé comme vous n’en avez jamais vu. Ici constellé de verre sombre comme de l’obsidienne mélangé à des éclats de fer, et là semblable à de l’écume, mais une écume métallique qui serait figée depuis la nuit des temps. Un sol dur comme de l’acier, sous vos pas, mais aussi perforé de toute part, saturé de cratères aux bords étrangement déchiquetés. Le paysage au loin est fantastique, tout de verre et de fer. Avec çà et là quelques mégalithes irisés, semblables à des menhirs brisés par un géant furieux. Et face à vous, il y a ce rocher qui évoque une gigantesque pierre ponce dont on aurait comblé les vides par du métal en fusion... Qui aurait cru que la surface de l’astéroïde Psyché puisse être si étrange, si différente de celle des autres petits corps du Système solaire – les Itokawa, Ryugu, Bennu, Cérès ?

Nous n’avons pas encore visité Psyché ; la description qui précède est pure fantaisie. Mais à l’observatoire de la Côte d’Azur (OCA), Guy Libourel est persuadé que les paysages de cet astéroïde seront particulièrement étonnants. Et pour cause : avec des collègues français et japonais, le pétrologiste a reproduit en laboratoire des impacts sur des astéroïdes métalliques.

À l’Institut des sciences spatiales et aéronautiques (ISAS) de la Jaxa, au Japon, des projectiles de quelques millimètres censés représenter diverses variétés d’impacteurs de la Ceinture d'astéroïdes ont été tirés entre 12 000 et 25 000 km/h — 5 fois plus vite qu’une balle de fusil ! – sur des cibles d’acier et de vraies météorites de fer. Et au microscope, le résultat s’est révélé surprenant. « Les cratères ont bien la forme caractéristique, en bol, des cratères d’impact, mais leur bord est très irrégulier, très découpé. Surtout, leur fond est tapissé d’une couche vitreuse qui ressemble à une mousse ou à de l’écume solidifiée. Du jamais vu », souligne le chercheur.

L'impact à 20 000 km/h d'une bille de basalte sur une cible d'acier crée un cratère aux bords
découpés, tapissé d'une substance vitreuse et sombre. © Libourel et al. Sci. Adv. 2019
Au microscope électronique, le nappage au fond du cratère s'avère spongieux. © Libourel et al., Sci. Adv. 2019

L’expérience est amusante et spectaculaire, mais ce n’est bien sûr pas par jeu que Guy Libourel et ses collègues se sont lancés dans cette étude. « Dans trois ans, la Nasa lancera une sonde vers Psyché, qui deviendra en 2026 le premier astéroïde métallique jamais visité. Pour interpréter ses observations, et même pour concevoir en amont le détail de sa mission, il est important que l’on sache à quoi s’attendre », explique Patrick Michel, co-auteur de l’étude et astrophysicien à l’OCA.

L’énigme des astéroïdes manquants

Plus fondamentalement, les astéroïdes métalliques intéressent les scientifiques parce qu’ils leur posent une véritable énigme. « Sur Terre, il existe une grande variété de météorites ferreuses. Mais lorsqu’on cherche leurs corps parents parmi les astéroïdes qui naviguent dans le Système solaire, on ne retrouve pas cette diversité », souligne Patrick Michel. Où sont donc ces astéroïdes manquants ?

Vue d'artiste de Psyché (la sonde) survolant Psyché (l'astéroïde). Ses paysages pourraient être plus complexes. © Nasa

« Certains pensent qu’ils pourraient être totalement détruits », répond l’astrophysicien. Après tout, l’histoire du Système solaire est violente et les astéroïdes métalliques sont eux-mêmes des fragments. Ils sont le cœur concassé de petites planètes s’étant formées dans le premier million d’années du Système solaire. Dotés d’un noyau de fer et d’un manteau de roches silicatées (tout comme plus tard la Terre et les autres planètes rocheuses), ces mini-mondes ont disparu par collisions successives (Vesta est peut-être l’un des rares survivants de cette époque.). Alors pourquoi leurs fragments n’auraient pas subi le même destin ?

L'art du camouflage

« Ce n’est pas totalement inenvisageable, mais il y a une autre hypothèse : les astéroïdes métalliques pourraient bien être là, dans la Grande Ceinture entre Mars et Jupiter, mais camouflés. On ne saurait pas les reconnaître », reprend le chercheur. Imaginons qu’à l’issue d’une collision entre un astéroïde métallique et un astéroïde rocheux, le premier se retrouve largement recouvert des poussières du second. Comme on classe les astéroïdes à partir de leur spectre dans le visible et l’infrarouge – la façon dont leur surface absorbe et réfléchit la lumière à ces longueurs d’onde –, on pourrait facilement être mystifiés !

C’est une équipe américaine, en 2005, qui a proposé pour la première fois cette explication du camouflage. Une dizaine d’années plus tard, une autre équipe la raffinait en montrant qu’une collision douce entre un astéroïde rocheux et un astéroïde métallique pouvait en effet provoquer le saupoudrage voulu. En particulier, une telle collision peut expliquer pourquoi certains astéroïdes métalliques, forgés dans les cœurs incandescents de petites planètes, exhibent une signature caractéristique de l’eau : forcément apportée de l’extérieur par un petit corps hydraté, cette molécule fragile se dépose à l’occasion des impacts lents...

Dans la Ceinture d'astéroïdes, des impacts à 18 000 km/h

« Le problème, c’est que les impacts à faible vitesse sont rares dans la Ceinture d’astéroïdes. La vitesse d’impact typique, c’est 5 km/s, soit 18 000 km/h ! » reprend Patrick Michel. Dans des conditions plus réalistes, l’hypothèse du camouflage tient-elle encore ? C’est précisément pour répondre à cette question que Guy Libourel et ses collègues se sont lancés dans leur expérience d’impacts hypervéloces…

« La belle surprise, c’est que nous avons découvert qu’après les tirs, les cratères formés sur nos cibles métalliques conservaient une signature de l’eau et des silicates apportés par les impacteurs », raconte le pétrologiste. Autrement dit, même si 90 % de la masse des projectiles s’étaient volatilisés, il en restait suffisamment pour altérer chimiquement la surface, au moins dans les cratères. Et comme des astéroïdes qui voguent dans la Grande Ceinture depuis des milliards d’années sont sans doute entièrement recouverts de cratères – le taux d’impact y est 10 fois plus important que dans le voisinage de Terre et de la Lune –, il n’est pas difficile d’imaginer que, finalement, leur signature chimique puisse être totalement modifiée. Voilà qui résout l’énigme des astéroïdes métalliques : s’il en manque à l’appel, c’est bien parce qu’ils se camouflent !

Une vinaigrette figée par le froid

Mais le plus fascinant, c’est la manière dont ce camouflage s’opère... « Lors de l’impact, toute l’énergie cinétique emmagasinée dans le projectile est transformée en chaleur. Cette chaleur le fait entièrement fondre, quelle que soit sa nature. Devenu liquide, il tapisse alors entièrement le fond du cratère formé. Ce qui se passe ensuite dépend de sa vitesse de refroidissement. Si le liquide se refroidit suffisamment vite, il produit un verre [un solide dans lequel les atomes ne sont pas régulièrement ordonnés comme dans un minéral, NDLR]. Sinon, il forme une matière cristallisée », explique Guy Libourel. Comme la chaleur se dissipe d’autant plus vite qu’un corps est petit, c’est bien de verre que les cratères de l’ISAS sont nappés.

Mais ce nappage vitreux n’est pas régulier comme un vernis, ni même transparent. Il forme au contraire un paysage tourmenté, comme une écume de verre sombre, dont l’épaisseur moyenne dépend de la nature exacte du projectile. Il peut aussi prendre un aspect spongieux, provoqué par une décompression brutale dans le fluide. Et pour les impacts les plus rapides, il peut se figer en une émulsion fer-silicates, comme une vinaigrette immobile dont l’huile et le vinaigre ne se mélangent pas.

Vue stéréoscopique du nappage à l'intérieur d'un cratère résultant de l'impact d'un projectile silicaté sur une météorite de fer. Cette
émulsion vitrifiée mêle métaux (en blanc) et silicates (gris). L'image fait 200 microns de large. © Brian May/Claudia Manzoni

La taille compte

Bien sûr, la grande question est maintenant de savoir si ce que nous observons à l’échelle du millimètre peut être extrapolé à l’échelle d’un astéroïde (Psyché fait environ 200 km). « Du point de vue de la morphologie générale, je suis assez confiant. L’aspect déchiqueté des bords métalliques des cratères et leurs fractures concentriques doivent bien exister. Je suis plus prudent sur la minéralogie. Le fond des gros cratères pourrait être nappé de minéraux cristallins plutôt que de verres, et ne pas avoir cette structure étrange, écumeuse ou spongieuse », souligne Patrick Michel.

En cause : la vitesse de refroidissement après l’impact. Pour un petit impact en laboratoire, le refroidissement ne dure que quelques microsecondes. C’est suffisamment rapide pour que les atomes du projectile fondu - ici basalte ou dunite - n’aient pas le temps de se réarranger en un réseau cristallin. Ils se figent alors sous forme de verre. Mais pour un impact à taille réelle, il pourrait durer quelques secondes. Ce qui laisserait le temps à ce même projectile fondu de cristalliser, au moins en partie.

Et il y a évidemment une autre différence, essentielle : dans l’espace, les astéroïdes ne subissent pas un seul impact comme en laboratoire, mais des milliards, de toute taille, sur des dizaines de millions de siècles. Par conséquent, si nappage de verre il y a, celui-ci a de bonnes chances d’être en grande partie brisé, pilé, réduit en éclats voire en poussières...

« Pour mieux comprendre les effets d’échelle, il faudrait pouvoir tirer sur des cibles plus grosses. On y réfléchit, mais c’est compliqué », reprend Patrick Michel. En préparation de leur mission spatiale DART, les Américains du South Research Institute, au Texas, ont bien mené des expériences de tir à 20 000 km/h sur des cibles de granit de 1 mètre, avec des impacteurs de quelques dizaines à quelques centaines de grammes (contre 30 à 80 mg dans l’expérience japonaise). Mais leur équipement est unique ! Et puis bien sûr, impossible de sacrifier une météorite de fer de cette taille (même à quelques euros le gramme) pour mener ces expériences.

Les expériences d'impact à très haute vitesse menés à l'ISAS restent encore de taille modeste. Crédit : Libourel et al., Sci. Adv. 2019

« Dans l’immédiat, nous allons poursuivre nos tirs en utilisant comme cible des mésosidérites. Ce sont des météorites qui sont composées pour moitié de métal et pour moitié de silicates », explique Guy Libourel. Il est possible que Psyché appartienne à cette catégorie, car sa densité de 4 g/cm3 est étonnamment faible pour un corps entièrement ferreux. Mais là encore, le microscope fournit une autre explication : peut-être Psyché est-il simplement traversé de failles profondes, semblables à celles que l’on observe sous les cratères miniatures ?

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