Cathodoluminescence: un nouveau regard sur les objets primitifs du système solaire

Grâce à l'utilisation de la cathodoluminescence (CL) à haute sensibilité, de nouvelles structures internes ont été observées dans des olivines extraterrestres, constituants des météorites. Cette étude internationale, impliquant des chercheurs du Laboratoire Joseph Louis Lagrange (LAGRANGE / OCA, CNRS / Université Nice Sophia Antipolis) et du Centre de Recherche pour l'Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA, CNRS), apporte un éclairage nouveau sur la formation des olivines ainsi que des structures plus larges dans lesquelles elles sont incluses, et permet de les considérer comme des sondes locales de l'environnement gazeux du disque protoplanétaire primordial.

La compréhension des premières étapes de la formation du système solaire anime depuis toujours la communauté des physiciens, astrophysiciens et cosmochimistes. Dans cette recherche, l'analyse des constituants principaux des météorites dites primitives représente un enjeu majeur au vu de leur rôle potentiel de témoins des mécanismes s'étant produits dans les 5 premiers millions d'années de la vie de notre système solaire. Ces météorites dites primitives sont constituées majoritairement de grains ("chondres"), contenant diverses formes cristallines silicatées, c'est-à-dire de cristaux à base de silicium et d'oxygène auxquels viennent s'adjoindre divers métaux. Ces grains ont depuis longtemps retenu l'attention de plusieurs générations de cosmochimistes. Où et comment se sont-ils formés dans le disque protoplanétaire ? Avec quel mécanisme de chauffe ? Quels étaient leurs précurseurs ? Ont-ils interagi avec leur environnement gazeux ? Comment se sont-ils refroidis ? Quel était l'environnement: nébulaire ou planétaire ? De nombreuses questions se sont posées, sans pour autant que les réponses fassent l'unanimité dans la communauté.

Aujourd'hui, les principales données sur les températures maximales de formation de ces grains ainsi que les vitesses de refroidissement au sein du disque protoplanétaire ont été extraites d'expériences menées à l'aide de diverses techniques (sonde atomique, diffraction d'électrons rétrodiffusés...). Elles ont permis d'établir un scénario plausible pour la formation de ces grains. Néanmoins les résultats obtenus par un chercheur et un ingénieur du Laboratoire Joseph Louis Lagrange (LAGRANGE / OCA, CNRS/Université Nice Sophia Antipolis), spécialisé en cosmochimie, et du Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie et ses Applications (CRHEA, CNRS, Université de la Côte d'Azur), spécialisé dans l'élaboration de matériaux semi-conducteurs proposent une autre version des faits.

Pour la première fois, l'utilisation d'un système de cathodoluminescence adapté à l'analyse de structures semi-conductrices de tailles micrométriques et submicrométriques (<10-6m), a permis d'avoir accès à un niveau de lecture inégalé, jusqu'à présent, de la structure fine des éléments constitutifs des chondres et notamment des olivines. Ces objets cristallins, de formule chimique Mg2SiO4, renferment divers éléments métalliques en concentrations très faibles comme l'aluminium et le fer, entre autres. Grâce à ce gain de sensibilité et de résolution, les auteurs de l'étude ont mis en évidence de nouvelles structures internes dans les olivines. Elles démontrent que la formation de grains d'olivine est contrôlée par un processus de croissance épitaxiale assistée par le gaz pendant la fusion.

Bien qu'il soit clair depuis ces dernières années que les chondres aient interagi avec le gaz environnant plutôt que d'être des boules de poussière chauffées dans un système fermé, cet article va plus loin en suggérant que cette interaction avec le gaz définit leur composition et leur texture. Les observations de cathodoluminescence montrent en effet des structures internes de zonation des olivines, des cristallisations asymétriques de cristaux d'olivines ou des couches superposées d'olivines à la bordure des chondres incompatibles avec une cristallisation magmatique classique par refroidissement en système fermé, communément admise jusqu'alors.

Les disques protoplanétaires étant optiquement épais à la plupart des longueurs d'onde, ces cristaux fournissent ainsi, si cette interprétation est correcte, notre meilleure sonde thermochimique du gaz des régions internes et optiquement épaisses des étoiles jeunes.

Cette étude a bénéficié du soutien financier du CNES (support mission OSIRIS-Rex) et du BQR de l'OCA.