Comment un smashup de deux planètes a quitté la Terre avec ses éléments

Imaginez-vous en train de reconstituer l'itinéraire d'un personnage globe-trotter, à la manière de Carmen Sandiego, en n'utilisant que le sable de la plage accumulé dans le fond de sa valise. C’est une tâche que même un rédacteur CSI jugerait invraisemblable, mais elle n’est pas loin du travail de reconstruction de la formation de la Terre.

Dans les premières années du système solaire, la matière s’agglomérait à partir d’un disque diffus de gaz et de poussière tournant autour d’un soleil naissant. Au fur et à mesure que les masses grandissaient, les plus grandes d'entre elles pouvaient se transformer, séparant les éléments et les minéraux entre les noyaux intérieurs et les manteaux extérieurs. Des amas de différentes zones du disque formées à partir de différents éléments de départ, et les collisions ont mélangé cela avec cela. À partir de cette image chaotique, nous voulons en quelque sorte déterminer comment la Terre a obtenu le mélange exact d’éléments qui ont contribué à en faire ce qu’elle est aujourd’hui.

Le mystère de la façon dont la Terre tire son eau est peut-être familier, mais ce n’est pas la seule substance éphémère à laquelle les chercheurs ont réfléchi. Le carbone, l'azote et le soufre étaient également des éléments «volatils» critiques, ce qui signifie qu'ils auraient facilement pu être évacués par les impacts. Mais des impacts auraient également été nécessaires pour acheminer ces matériaux vers une Terre en pleine croissance. Comment les deux pourraient-ils être vrais?

Construire une planète

En analysant des éléments et des isotopes sur la Terre et dans des météorites, les scientifiques ont identifié une classe d’astéroïdes qui a très probablement fourni la plupart des premiers éléments constitutifs d’une Terre en croissance. Mais cette classe est distinctement légère dans les éléments volatiles. Alors qu'est-ce qui a ajouté du carbone, de l'azote et du soufre?

Les explications potentielles ont toutes leurs problèmes. Il existe une autre classe d'astéroïdes qui contient beaucoup plus de ces éléments, mais leur rapport est incorrect. S'ils étaient arrivés après la formation du noyau terrestre (peut-être à cause du mouvement des planètes géantes gazeuses en pleine maturation mélangées aux astéroïdes plus proches du Soleil), ils auraient laissé la Terre à court de carbone. Et si le noyau métallique de la Terre était toujours en train de se séparer de l'extérieur rocheux, le carbone serait préférentiellement attiré dans le noyau, laissant ainsi l'extérieur encore plus court.

Pour tester une autre explication, un groupe de l'Université Rice, dirigé par Damanveer Grewal et Rajdeep Rasgupta, avait besoin de faire fondre des éléments dans le laboratoire. Dans une configuration spéciale, ils ont mélangé des alliages fer-nickel avec des quantités variables de carbone, d'azote et de soufre, ainsi que des roches basaltiques. Le mélange a été soumis à une pression extrême et a fondu. Après le refroidissement, ils ont analysé les gouttes de métal enrobées dans le verre formé à partir du basalte fondu afin de déterminer comment les éléments se déplaçaient.

Ils ont constaté que, en présence de beaucoup de soufre, la quantité d'azote bloquée dans les gouttelettes métalliques était un peu plus petite. Plus particulièrement, la quantité de carbone dans les gouttes métalliques a fortement diminué à mesure que davantage de soufre était ajouté. Comparé aux expériences précédentes sans azote, cela introduit en réalité beaucoup plus de carbone dans le verre. Cette expérience suggère donc une nouvelle possibilité qui pourrait fonctionner.

Au lieu de différentes classes d'astéroïdes livrant ces éléments volatils à la Terre, ces chercheurs ont examiné si un autre «embryon» planétaire pourrait en être responsable. Bien que beaucoup plus petite que la Terre, une autre planète en devenir se serait également séparée en un noyau métallique et un manteau rocheux.

Au coeur

L’expérience visait à comprendre la chimie d’un embryon planétaire dont le noyau riche en soufre s’écrase dans la Terre. Même si cet embryon était fondamentalement construit avec les mêmes matériaux que la Terre, le fait qu’il ait un noyau séparé pourrait changer la quantité de carbone ou d’azote qui restait dans le manteau rocheux au lieu de rester coincé dans le noyau.

En utilisant les données de leur expérience, les chercheurs ont examiné la plage de concentrations d'éléments plausibles et la masse de l'embryon planétaire, en calculant des milliers de combinaisons possibles. Ils ont découvert qu'un corps de la taille de Mars avec une quantité de soufre raisonnablement élevée pourrait en fait faciliter le calcul, en produisant le bon rapport carbone / azote / soufre.

Un impacteur de la taille de Mars, dites-vous? En fait, c’est précisément ainsi que nous pensons que la Lune s’est formée lors de la collision entre la Terre et une planète de la taille de Mars quelques dizaines de millions d’années après le début de sa formation. Ce calendrier semble également fonctionner ici. Il semble que la Terre et la Lune aient la même source d'éléments volatils, et l'événement violent qui a formé la Lune est la dernière chance évidente de partager une source.

Il se peut que d’autres solutions possibles à ce casse-tête restent à identifier, mais pour l’instant, il existe une très bonne hypothèse de travail à examiner.

Open Access at Science Advances, 2019. DOI: 10.1126 / sciadv.aau3669 (À propos des DOI).