Une histoire d’origine pour une famille de météorites étranges

La plupart des météorites qui ont atterri sur Terre sont des fragments de planétésimaux, les tout premiers corps protoplanétaires du système solaire. Les scientifiques ont pensé que ces corps primordiaux avaient soit complètement fondu au début de leur histoire, soit restés sous forme de tas de gravats non fondus.

Mais une famille de météorites a dérouté les chercheurs depuis sa découverte dans les années 1960. Les divers fragments, trouvés dans le monde entier, semblent s’être détachés du même corps primordial, et pourtant la composition de ces météorites indique que leur parent devait être une chimère déroutante qui était à la fois fondue et non fondue.

Maintenant, des chercheurs du MIT et d’ailleurs ont déterminé que le corps parent de ces météorites rares était en effet un objet multicouche et différencié qui avait probablement un noyau métallique liquide. Ce noyau était suffisamment important pour générer un champ magnétique qui aurait pu être aussi fort que le champ magnétique terrestre aujourd’hui.

Leurs résultats, publiés dans la revue Progrès scientifiques, suggèrent que la diversité des premiers objets du système solaire peut avoir été plus complexe que les scientifiques ne l’avaient supposé.

«C’est un exemple de planétésimal qui doit avoir des couches fondues et non fondues. Cela encourage la recherche de plus de preuves de structures planétaires composites», déclare Clara Maurel, étudiante diplômée du Département des sciences de la Terre, de l’atmosphère et des planètes du MIT ( EAPS). « Comprendre le spectre complet des structures, de non fondues à entièrement fondues, est la clé pour déchiffrer comment les planétésimaux se sont formés dans le système solaire primitif. »

Les co-auteurs de Maurel incluent le professeur d’EAPS Benjamin Weiss, ainsi que des collaborateurs de l’Université d’Oxford, de l’Université de Cambridge, de l’Université de Chicago, du Lawrence Berkeley National Laboratory et du Southwest Research Institute.

Fers bizarres

Le système solaire s’est formé il y a environ 4,5 milliards d’années sous la forme d’un tourbillon de gaz et de poussière surchauffés. Au fur et à mesure que ce disque se refroidissait, des morceaux de matière entraient en collision et fusionnaient pour former des corps progressivement plus grands, tels que des planétésimaux.

La majorité des météorites tombées sur Terre ont des compositions qui suggèrent qu’elles proviennent de ces premiers planétésimaux qui étaient de deux types: fondus et non fondus. Les scientifiques pensent que les deux types d’objets se seraient formés relativement rapidement, en moins de quelques millions d’années, au début de l’évolution du système solaire.

Si un planétésimal s’était formé au cours des 1,5 premier million d’années du système solaire, des éléments radiogéniques de courte durée auraient pu faire fondre le corps entièrement à cause de la chaleur dégagée par leur désintégration. Les planétésimaux non fondus auraient pu se former plus tard, lorsque leur matériau contenait des quantités plus faibles d’éléments radiogènes, insuffisantes pour la fusion.

Il y a eu peu de preuves dans le registre des météorites d’objets intermédiaires avec des compositions à la fois fondues et non fondues, à l’exception d’une famille rare de météorites appelées fers IIE.

«Ces fers IIE sont des météorites étranges», dit Weiss. « Ils montrent à la fois des preuves de leur appartenance à des objets primordiaux qui n’ont jamais fondu, et aussi des preuves de leur origine dans un corps qui est complètement ou au moins substantiellement fondu. Nous ne savons pas où les mettre, et c’est ce qui nous a amenés à nous concentrer sur eux. « 

Poches magnétiques

Les scientifiques ont déjà découvert que les météorites IIE fondues et non fondues provenaient du même ancien planétésimal, qui avait probablement une croûte solide recouvrant un manteau liquide, comme la Terre. Maurel et ses collègues se sont demandé si le planétésimal pouvait également avoir hébergé un noyau métallique fondu.

« Cet objet a-t-il suffisamment fondu pour que le matériau s’enfonce vers le centre et forme un noyau métallique comme celui de la Terre? » Dit Maurel. « C’était la pièce manquante dans l’histoire de ces météorites. »

L’équipe a estimé que si le planétésimal hébergeait un noyau métallique, il aurait très bien pu générer un champ magnétique, similaire à la façon dont le noyau liquide de la Terre produit un champ magnétique. Un champ aussi ancien aurait pu amener les minéraux du planétésimal à pointer dans la direction du champ, comme une aiguille dans une boussole. Certains minéraux auraient pu conserver cet alignement pendant des milliards d’années.

Maurel et ses collègues se sont demandé s’ils pourraient trouver de tels minéraux dans des échantillons de météorites IIE qui s’étaient écrasées sur Terre. Ils ont obtenu deux météorites, qu’ils ont analysé pour un type de minéral fer-nickel connu pour ses propriétés exceptionnelles d’enregistrement de magnétisme.

L’équipe a analysé les échantillons à l’aide de la source de lumière avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory, qui produit des rayons X qui interagissent avec les grains minéraux à l’échelle nanométrique, de manière à révéler la direction magnétique des minéraux.

Effectivement, les électrons dans un certain nombre de grains étaient alignés dans une direction similaire – preuve que le corps parent a généré un champ magnétique, peut-être jusqu’à plusieurs dizaines de microtesla, ce qui correspond à la force du champ magnétique terrestre. Après avoir exclu les sources moins plausibles, l’équipe a conclu que le champ magnétique était très probablement produit par un noyau métallique liquide. Pour générer un tel champ, ils estiment que le cœur doit avoir une largeur d’au moins plusieurs dizaines de kilomètres.

Ces planétésimaux complexes avec une composition mixte (à la fois fondus, sous la forme d’un noyau liquide et d’un manteau, et non fondus sous la forme d’une croûte solide), selon Maurel, auraient probablement pris plusieurs millions d’années pour se former – une période de formation qui est plus longtemps que ce que les scientifiques avaient supposé jusqu’à récemment.

Mais d’où viennent les météorites dans le corps parent? Si le champ magnétique était généré par le noyau du corps parent, cela signifierait que les fragments qui sont finalement tombés sur Terre ne pourraient pas provenir du noyau lui-même. En effet, un noyau liquide ne génère un champ magnétique que lorsqu’il est toujours bouillonnant et chaud. Tous les minéraux qui auraient enregistré l’ancien champ doivent l’avoir fait à l’extérieur du noyau, avant que le noyau lui-même ne refroidisse complètement.

En collaboration avec des collaborateurs de l’Université de Chicago, l’équipe a réalisé des simulations à haute vitesse de divers scénarios de formation pour ces météorites. Ils ont montré qu’il était possible qu’un corps avec un noyau liquide entre en collision avec un autre objet et que cet impact déloge du matériau du noyau. Ce matériau migrerait ensuite vers des poches proches de la surface d’où proviennent les météorites.

« Au fur et à mesure que le corps se refroidit, les météorites dans ces poches vont imprimer ce champ magnétique dans leurs minéraux. À un moment donné, le champ magnétique se décomposera, mais l’empreinte restera », dit Maurel. « Plus tard, ce corps va subir beaucoup d’autres collisions jusqu’aux ultimes collisions qui placeront ces météorites sur la trajectoire de la Terre. »

Un planétésimal aussi complexe était-il une valeur aberrante dans le système solaire primitif, ou l’un des nombreux objets différenciés? La réponse, dit Weiss, peut se trouver dans la ceinture d’astéroïdes, une région peuplée de restes primordiaux.

«La plupart des corps de la ceinture d’astéroïdes ne semblent pas fondus à leur surface», dit Weiss. «Si nous sommes finalement capables de voir à l’intérieur des astéroïdes, nous pourrions tester cette idée. Peut-être que certains astéroïdes sont fondus à l’intérieur, et des corps comme ce planétésimal sont en fait communs.