Une distribution inattendue des isotopes de l'oxygène dans le système solaire jeune

Par l'analyse de la composition isotopique de l'oxygène contenu dans des inclusions réfractaires riches en calcium et aluminium de météorites primitives, Jérôme Aléon de l'Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC, CNRS, UPMC, IRD, MNHN, Sorbonne Universités) montre que, contrairement au modèle en vigueur, le disque protoplanétaire avait initialement la composition isotopique du Soleil et que le réservoir d'oxygène planétaire était probablement localisé en surface du disque plutôt que vers l'extérieur. Ces travaux sont publiés dans la revue Earth and Planetary Science Letters du 15 avril 2016.

L'oxygène est l'élément le plus abondant dans notre système solaire après l'hydrogène et l'hélium. Représentant près de 60% des atomes du manteau et de la croûte terrestre, c'est même l'élément le plus abondant dans les roches. Il possède trois isotopes de masse 16 (le plus abondant), 17 et 18. Dans la conception classique de la formation du système solaire, le Soleil et les planètes se sont formés à partir d'un même réservoir de poussière et de gaz. On s'attend donc à ce que le Soleil et les matériaux planétaires qui gravitent autour possèdent la même composition isotopique de O.

Or, il est maintenant bien établi que la Terre et les matériaux planétaires rocheux, d'une part, et le Soleil, d'autre part, possèdent une différence de composition isotopique d'oxygène, qui correspond à un excès d'environ 6% d'oxygène-16 (O) dans le Soleil (ou un déficit dans les planètes). L'origine de cette différence résiste aux explications depuis plus de 40 ans. Plusieurs catégories de modèles ont été proposées qui ont leurs avantages mais expliquent difficilement la totalité des observations, ou manquent de démonstration expérimentale. Le modèle le plus en vogue depuis 10 ans est un fractionnement isotopique de l'oxygène lors de la photo-dissociation du monoxyde de carbone (CO) par le rayonnement UV. Ce fractionnement conduit à un excès de O dans le CO et un déficit dans l'oxygène atomique, lequel est ensuite transmis aux matériaux rocheux via la molécule d'eau.

Les premières roches formées dans le système solaire, les inclusions réfractaires riches en calcium et aluminium (CAI) des météorites primitives possèdent toute la gamme de composition isotopique d'oxygène entre celle du Soleil et celle de la Terre. Comprendre comment elles ont enregistré cette variation permettrait d'élucider la distribution, temporelle et spatiale, des réservoirs impliqués dans la formation des planètes et à terme d'éclairer l'origine de la dichotomie isotopique Terre-Soleil.

Les études précédentes ont toujours conclu à une évolution progressive depuis la composition solaire vers la composition planétaire lors de la formation des CAI (i.e. un appauvrissement en O) et ce bien que la composition isotopique du pyroxène, le dernier minéral cristallisé dans les CAI et qui est riche en O, nécessite des explications ad-hoc. Ce travail basé sur le couplage entre la mesure de la composition isotopique de l'oxygène et une étude pétrographique de détail de la cristallisation du pyroxène montre que le pyroxène s'est enrichi en O lors de sa cristallisation dans un magma contrairement à toutes les suppositions faites jusqu'à présent. Cette observation implique que le liquide magmatique à partir duquel le pyroxène a cristallisé ait initialement eu une composition isotopique planétaire et qu'il se soit équilibré très rapidement avec un gaz de composition solaire pendant la cristallisation du pyroxène.

Les deux réservoirs solaire et planétaire ont donc co-existé très tôt dans le système solaire et les CAI ont refroidi et fini de cristalliser dans un réservoir solaire plutôt que planétaire. Cette conclusion permet de rejeter la plupart des modèles d'évolution isotopique basés sur la photodissociation du CO dans lesquels les CAI terminent systématiquement leur formation dans un réservoir planétaire pauvre en O. Les résultats de cette étude ne permettent pas de déterminer quel est le mécanisme astrophysique à l'origine de la dichotomie isotopique Terre-Soleil mais suggèrent une zonation isotopique verticale en fonction de l'altitude plutôt qu'horizontale en fonction de la distance à l'étoile dans le disque protoplanétaire jeune. Une telle zonation permettrait d'expliquer pourquoi certaines CAI sont restées riches en O et homogènes alors que d'autres ont acquis la composition planétaire avant de revenir à une composition solaire.

Ce modèle est en accord avec la plupart des contraintes physiques déduites des observations et de la modélisation des disques protoplanétaires et favorise les hypothèses basées sur l'évaporation de poussières interstellaires réfractaires ou sur les fractionnements isotopiques ne dépendant pas de la masse pour l'origine de l'anomalie isotopique du système solaire.