Poussière d'étoiles de géants rouges

Il y a environ 4,5 milliards d'années, un nuage moléculaire interstellaire s'est effondré. En son centre, le Soleil s'est formé ; autour de lui, un disque de gaz et de poussière est apparu, à partir duquel la terre et les autres planètes se sont formées. Ce matériau interstellaire bien mélangé comprenait des grains de poussière exotiques:  «La poussière stellaire qui s'était formée autour d'autres soleils», explique Maria Schönbächler, professeure à l'Institut de géochimie et de pétrologie de l'ETH Zurich. Ces grains de poussière ne représentaient qu'un faible pourcentage de la masse totale de poussière et étaient répartis de façon inégale dans le disque. «La poussière d'étoile était comme du sel et du poivre», dit le géochimiste. Au fur et à mesure que les planètes se sont formées, chacune d'elles a fini par avoir son propre mélange.

Grâce à des techniques de mesure extrêmement précises, les chercheurs sont aujourd'hui en mesure de détecter la poussière d'étoiles qui était présente à la naissance de notre système solaire. Ils examinent des éléments chimiques spécifiques et mesurent l'abondance de différents isotopes - les différentes saveurs atomiques d'un élément donné, qui partagent tous le même nombre de protons dans leur noyau mais dont le nombre de neutrons varie. «Les proportions variables de ces isotopes agissent comme une empreinte digitale, dit Maria Schönbächler. «La poussière d'étoile a des empreintes vraiment extrêmes et uniques - et parce qu'elle s'est répandue inégalement à travers le disque protoplanétaire, chaque planète et chaque astéroïde a eu sa propre empreinte digitale quand elle a été formée.»

Au cours des dix dernières années, les chercheurs qui étudient les roches de la Terre et les météorites ont été en mesure de démontrer ces anomalies isotopiques pour de plus en plus d'éléments. Maria Schönbächler et son groupe ont étudié des météorites qui faisaient partie à l'origine de noyaux d'astéroïdes qui ont été détruits il y a longtemps, en se concentrant sur l'élément palladium.

D'autres équipes avaient déjà étudié des éléments voisins dans le tableau périodique, tels que le molybdène et le ruthénium, de sorte que l'équipe de Maria Schönbächler pouvait prédire ce que leurs résultats de palladium montreraient. Mais leurs mesures en laboratoire n'ont pas confirmé les prévisions. «Les météorites contenaient des anomalies de palladium beaucoup plus petites que prévu», explique Mattias Ek, post-doctorant à l'Université de Bristol qui a effectué les mesures isotopiques lors de ses recherches doctorales à l'ETH Zurich.

Les chercheurs ont maintenant mis au point un nouveau modèle pour expliquer ces résultats, comme ils le rapportent dans la revue Nature Astronomy. Ils affirment que la poussière d'étoile se composait principalement de matières produites dans des étoiles géantes rouges. Ce sont des étoiles vieillissantes qui se dilatent parce qu'elles ont épuisé le combustible dans leur noyau. Notre soleil aussi deviendra un géant rouge dans quatre ou cinq milliards d'années.

Dans ces étoiles, des éléments lourds tels que le molybdène et le palladium ont été produits par ce que l'on sait du processus lent de capture des neutrons. «Le palladium est légèrement plus volatil que les autres éléments mesurés. Par conséquent, moins de poussière s'est condensée autour de ces étoiles, et il y a donc moins de palladium provenant de la poussière d'étoiles dans les météorites que nous avons étudiées», explique Mattias Ek.

Les chercheurs de l'ETH Zurich ont également une explication plausible à une autre énigme : la plus grande abondance de matériaux provenant de géants rouges sur Terre par rapport à Mars, Vesta ou d'autres astéroïdes plus loin dans le système solaire. Cette région extérieure a vu une accumulation de matériaux provenant d'explosions de supernova.

«Lorsque les planètes se sont formées, les températures plus proches du Soleil étaient très élevées», explique Maria Schönbächler. Cela a provoqué l'évaporation de grains de poussière instables, par exemple ceux dont la croûte est glacée. Le matériau interstellaire contenait une plus grande quantité de ce type de poussière qui était détruite près du Soleil, alors que la poussière d'étoiles provenant de géants rouges était moins sujette à la destruction et donc concentrée à cet endroit. Il est concevable que la poussière provenant des explosions de supernova s'évapore aussi plus facilement, car elle est un peu plus petite. «Cela nous permet d'expliquer pourquoi la Terre possède le plus grand enrichissement en poussière d'étoiles géantes rouges par rapport à d'autres corps du système solaire», explique Maria Schönbächler.

L'auteur de ce texte, Barbara Vonarburg, est responsable des relations publiques au National Centre of Competence in Research PlanetS.

Référence

Ek M, Hunt AC, Lugaro M, Schönbächler M : The origin of s-process isotope heterogeneity in the solar protoplanetary disk, Nature Astronomy (2019), doi : 10.1038/s41550-019-0948-z