Un nouvel effet isotopique ouvre des pistes inattendues sur la formation du Système solaire
Des chercheurs du CNRS, du Muséum National d’Histoire Naturelle de Paris, de l’Université de Manchester, de l’Université Paris XIII, de Sorbonne Université et de l’Institut de physique du globe de Paris/Université de Paris, viennent de confirmer expérimentalement l’existence d’un nouvel effet isotopique, découvert il y a 35 ans lors de la synthèse de l’ozone.
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Date de publication : 20/04/2020
Presse, Recherche
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Cosmochimie, astrophysique et géophysique expérimentale (CAGE)
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Cet effet – par son ampleur et ses propriétés – viole les règles élémentaires qui régissent la distribution des isotopes au cours des réactions chimiques. Il pourrait concerner de nombreux éléments chimiques et participer à certaines variations isotopiques identifiées depuis longtemps dans les constituants des météorites et généralement attribuées à des processus de nucléosynthèse dans les étoiles.
Dans le système solaire les compositions isotopiques de la plupart des éléments chimiques présentent des variations, “des anomalies”, qui ne sont prédites par aucune théorie et qui ne sont jamais observées au laboratoire ou dans les roches terrestres. Ces “anomalies” sont classiquement attribuées à la présence, dans le disque protosolaire, de grains condensés dans des enveloppes d’étoiles en fin de vie, des millions ou des milliards d’années avant la formation du système solaire. Ces grains, appelés présolaires, ont été isolés dans les météorites et leur diversité de composition isotopique reflèterait les processus de nucléosynthèse des éléments chimiques dans les étoiles.
A sa formation, le disque protosolaire est essentiellement un gaz très chaud dans la zone interne. Il se refroidit lentement (en quelques millions d’années) et des solides microscopiques apparaissent par condensation. Ils constitueront plus tard la majeure partie de la matière des planètes terrestres. Dans le disque, la turbulence du gaz protosolaire mélange ces condensats avec les grains présolaires sur de grandes échelles. Les constituants de ce mélange ont été préservés dans certaines météorites, dont les corps parents n’ont jamais été totalement fondus depuis leur formation. Voici l’image simplifiée du modèle standard qui rend compte des anomalies isotopiques dans les météorites et les planètes.
Au début des années 80, il a été montré expérimentalement que l’ozone produit par des décharges électriques dans l’oxygène, présentait des variations de composition isotopique de l’oxygène semblables aux anomalies découvertes dans les météorites. Cet effet est observé dans l’ozone atmosphérique. La réaction identifiée pour l’ozone ne peut pas être la cause des variations observées dans le système solaire car l’ozone n’existait pas dans la nébuleuse protosolaire. Toutes les études théoriques qui ont eu lieu depuis ont échoué à identifier le processus à l’origine de cette effet isotopique pour l’ozone.
Des études théoriques récentes ont proposé une nouvelle solution à l’effet ozone. Cette piste a permis de tracer le portrait-robot des réactions chimiques qui pourraient conduire aux anomalies : la surface de grains nanométriques condensés directement à partir d’un plasma pourrait favoriser deux réactions couplées, l’une isotopique et l’autre chimique.
En suivant cette piste, des expériences ont été réalisées avec le titane, un élément réfractaire emblématique des anomalies isotopiques qui existent dans les météorites. Ces expériences ont été réalisées dans un plasma produit par une décharge haute fréquence à l’intérieur d’une vapeur de chlorure de titane solubilisé dans un liquide organique.
L’analyse des condensats nano- à micro-métriques riches en titane et carbone organique montre qu’ils portent tous des anomalies isotopiques en titane qui sont semblables à celles des grains présolaires. Ces variations sont bien modélisées par la théorie développée pour expliquer l’ozone. Cela suggère que des anomalies isotopiques d’origine chimique pourraient exister pour tous les éléments. Ces variations isotopiques ne seraient plus des anomalies mais la signature de réactions très particulières dans des plasmas. Ce résultat est une porte ouverte vers des études théoriques et expérimentales dans un domaine jusqu’ici mal connu : les réactions chimiques dans les plasmas naturels. De nouvelles pistes s’ouvrent concernant la formation du système solaire ou même les processus stellaires.
Réf : Robert F., Tartèse R., Lombardi G., Reinhardt P., Roskosz M., Doisneau B., Deng Z. & Chaussidon M. (2020) Mass-independent fractionation of titanium isotopes and its cosmochemical consequences. Nature Astronomy – https://doi.org/10.1038/s41550-020-1043-1
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