Tom Dooley et le soleil lumineux
Il y a un peu plus de 4,5 milliards d'années, notre soleil a traversé une phase active pendant laquelle il émettait un rayonnement beaucoup plus fort qu'aujourd'hui. C'est ce que concluent des chercheurs sur la base de mesures qu'ils ont effectuées à l'ETH Zurich avec un instrument unique au monde.
L'Institut de géochimie et de pétrologie de l'ETH Zurich possède un appareil capable de détecter d'infimes traces de certains gaz rares. "Ce spectromètre de masse a été construit ici et est 100 fois plus sensible que n'importe quel appareil commercial pour les mesures d'hélium et de néon", explique Henner Busemann, collaborateur scientifique au Département des sciences de la Terre et membre du Pôle de recherche national PlanetS. Comme l'instrument était autrefois suspendu au plafond pour des raisons techniques, il a été baptisé "Tom Dooley", en référence au meurtrier présumé qui a été pendu aux États-Unis au 19e siècle et immortalisé dans une chanson folklorique.
Les inclusions révèlent l'histoire
Grâce à "Tom Dooley", des chercheurs de Chicago et de Zurich ont acquis de nouvelles connaissances sur l'évolution de notre système solaire, comme ils l'expliquent dans la revue spécialisée page externeNature Astronomy rapportent . "Spécifiquement, nous avons pu mettre en évidence une activité accrue du jeune soleil", explique la géophysicienne Levke Kööp de l'Université de Chicago. Une phase active similaire peut être observée aujourd'hui chez les jeunes étoiles semblables au Soleil, qui émettent davantage de rayons X et de particules sous forme de jets.
Les chercheurs ont étudié le matériau d'une météorite de grande taille. Cette météorite de Murchison est souvent utilisée comme échantillon standard dans la recherche en raison de sa grande masse et de sa composition originale. Elle contient entre autres des inclusions riches en calcium et en aluminium, qui datent de l'époque primitive du système solaire. Ces inclusions riches en calcium et en aluminium (CAI) sont les premiers minéraux qui se sont condensés à partir de la nébuleuse solaire il y a un peu plus de 4,5 milliards d'années. Ils se sont formés à proximité du Soleil à partir d'un mélange de gaz à 2000 degrés qui s'est refroidi, puis ont été transportés en quelques millions d'années vers des régions extérieures du système solaire, plus éloignées du Soleil, où ils ont été immédiatement incorporés dans des astéroïdes.
Pré-irradiation supplémentaire
L'équipe a étudié deux classes différentes de CAI et a mesuré leur teneur en hélium et en néon. Il existe différents isotopes de ces gaz rares - des atomes ayant les mêmes propriétés chimiques, mais des masses légèrement différentes. L'hélium-3 et le néon-21 se forment lorsque les IAC sont exposés aux rayons cosmiques. La teneur en hélium-3 et en néon-21 permet donc de tirer des conclusions sur la durée d'irradiation à laquelle les minéraux ont été exposés dans l'espace. "Nous savons que la météorite Murchison a voyagé dans l'espace pendant environ 1,5 million d'années avant de s'écraser sur la Terre en Australie en 1969", explique Henner Busemann. L'une des deux classes de CAI étudiées présentait également le même âge d'irradiation. Mais l'autre a montré des valeurs nettement plus élevées d'hélium-3 et de néon-21 lors des mesures effectuées avec "Tom Dooley". "Cette classe a donc reçu une irradiation supplémentaire après sa formation et avant son intégration dans l'astéroïde parent de Murchison", explique le chercheur de l'ETH.
Il n'y a qu'une seule explication à cela : le rayonnement solaire, qui est également composé de particules, a dû être au moins environ 50 fois plus fort lors de la formation de ces minéraux que plus tard, lorsque la deuxième classe de CAIs et le reste du matériau du corps parent de Murchison se sont condensés. La première classe de CAIs a donc reçu une irradiation préalable. "C'est ce qui rend ces mesures si excitantes pour nous", explique Henner Busemann : "On soupçonnait déjà, sur la base d'autres mesures antérieures de matériaux météoriques, que le jeune Soleil avait traversé une telle phase active, mais ce n'est que maintenant que nous en avons une preuve solide".
Un instrument de mesure précis
Pour l'étude des gaz rares, Levke Kööp a fait spécialement le voyage des États-Unis jusqu'à Zurich. "Car mes échantillons, qui datent de l'histoire la plus ancienne du système solaire, sont très petits, et c'est pourquoi il fallait s'attendre à de petites quantités de gaz rares", explique la géophysicienne sous la direction de laquelle le travail de recherche a été effectué. Bien que le spectromètre de masse "Tom Dooley" ait été construit il y a vingt ans déjà, il reste le seul instrument au monde permettant de détecter des concentrations aussi faibles d'hélium-3 et de néon-21. "Nous pouvons développer de nouveaux instruments ici à l'ETH et entretenir les instruments existants, c'est extrêmement important", déclare Henner Busemann. Les cosmochimistes ne sont pas les seuls à en profiter. L'Eawag effectue aussi régulièrement des mesures avec "Tom Dooley" afin de déterminer l'âge des eaux souterraines et des eaux de mer et d'étudier ainsi par exemple les processus de mélange.
Référence bibliographique
Kööp L et al : High early solar activity inferred from helium and neon excesses in the oldest meteorite inclusions. Nature Astronomy, 30 août 2018, doi : page externe10.1038/s41550-018-0527-8