Le message des météorites : de la formation du système solaire à l'existence de la vie extraterrestre

Tristan Ferroir

Laboratoire des Sciences de la Terre, ENS Lyon

Florence Kalfoun

ENS Lyon / DGESCO

08/06/2006

Résumé

Reconnaissance et classification des météorites. Apport à la compréhension de la formation du système solaire et de la Terre. Vie et météorites.


Cet article retranscrit une conférence présentée par Tristan Ferroir, le 19 avril 2006, à l'École Normale Supérieure de Lyon. Cette conférence s'adressait à des lycéens de seconde et devait durer moins d'une heure. Les notions abordées sont donc volontairement simplifiées et parfois imagées.

Une autre conférence sur les météorites, présentée par Pierre Thomas s'adressant à un public plus averti (astronomes amateurs) est également disponible sur Planet-Terre.

Figure 1. Introduction

Introduction

Le but de cette conférence est de montrer comment les météorites peuvent nous renseigner sur la formation du système solaire et sur la possible existence de vie extraterrestre.

Cette conférence permettra de répondre aux questions suivantes :

  1. Comment reconnaître une météorite ?
  2. Que nous apprennent les météorites sur la Terre et sur le système solaire ?
  3. Quelles informations apportent-elles quant à la vie sur Mars ?

La totalité des diapositives est disponible sous forme d'un fichier AcrobatReader (.pdf) via ce lien.

Rappel sur les corps du système solaire et sur la structure de la Terre

Avant de parler précisément des météorites, il n'est pas inutile de rappeler qu'il existe différents types de corps dans le système solaire (le Soleil, les planètes géantes, les planètes et satellites telluriques, les planètes et satellites de glace, les comètes, les astéroïdes et petits satellites), qui peuvent être distingués en reportant leur diamètre en fonction de leur masse volumique sur un même diagramme (figure 2).

Figure 2. Les différents corps du système solaire

Les différents corps du système solaire

Parmi les planètes telluriques, la Terre nous intéresse plus particulièrement. Elle est structurée comme un "œuf dur" avec de l'extérieur vers l'intérieur (figure 3) :

  • de 0 à environ 100 km : la lithosphère (partie la plus rigide, équivalent de la coquille d'œuf) qui comprend la croûte et une partie du manteau ;
  • de 100 km à environ 3000 km : le manteau (équivalent du blanc d'œuf) ;
  • de 3000 km à environ 6400 km : le noyau (équivalent du jaune d'œuf).

Figure 3. Structure interne de la Terre

Structure interne de la Terre

En quoi les météorites peuvent-elles nous aider à comprendre la structure de la Terre et plus généralement l'histoire de sa formation et de celle du système solaire?

La première chute de météorite recensée en France

Les météorites, pierres tombées du ciel sont connues depuis longtemps. Par exemple, la figure 4 est une gravure qui illustre la chute de la première météorite recensée et tombée en France en 1492 : c'est la météorite d'Ensisheim en Alsace. Elle est tombée sous forme de plusieurs morceaux dont la masse totale était d'environ 16 kg. À cette époque, les météorites, perçues comme un message divin étaient remises à l'Église, ce qui explique que le Vatican possède une belle collection de météorites.

Figure 4. Gravure de la chute de la météorite d'Ensisheim (Alsace)

Gravure de la chute de la météorite d'Ensisheim (Alsace)

Comment sait-on qu'une roche est une météorite ?

Dans la situation la plus favorable, on peut savoir qu'une roche est une météorite en la voyant tomber ! L'intense lumière produite est due au frottement de la roche avec l'air. On verra par la suite quelle est la conséquence de ce frottement sur la roche.

La figure suivante est un film qui montre la chute d'une météorite, le 1er décembre 2005 dans le Sud-Ouest de l'Australie.

Figure 5. Chute d'une météorite le 01-12-2005 en Australie

Chute d'une météorite le 01-12-2005 en Australie

Voir la vidéo : gif animé (6437 ko) ou Windows media vidéo (528 ko). Autorisation d'utilisation de Jeff Kuyken.


Des impacts (figure 6) ou des cratères d'impact (figure 7) sont également des preuves directes d'une chute de météorite.

Figure 6. Impact de la météorite de Peekskill (USA) dans une voiture

Impact de la météorite de Peekskill (USA) dans une voiture

Pour en savoir plus sur cette météorite de Peekskill.


Figure 7. Le cratère d'impact de Roter Kamm (27°45'18.02" S 16°16'45.86" E) en Afrique du Sud

Le cratère d'impact de Roter Kamm (27°45'18.02" S 16°16'45.86" E) en Afrique du Sud

Mais si aucun cratère n'est visible, si la chute n'a été vue par personne, il ne reste qu'à étudier de près l'échantillon. Comment savoir si la roche que l'on a en main est une météorite ?

Plusieurs caractéristiques peuvent nous amener à reconnaître une météorite.

  • Une météorite est souvent plus dense qu'une autre roche terrestre (si on la compare à un échantillon terrestre de même volume, elle sera plus lourde) (figure 8).
  • Une météorite a souvent un bord lisse, doux et sombre : c'est une croûte de fusion liée aux frottements lorsque la météorite est entrée dans l'atmosphère. Ces frottements ont réchauffé la surface de la roche (figure 9).
  • Une section de météorite peut présenter des petites boules appelées " chondres " (figure 9). Ces chondres sont en fait des petites bulles de magma qui ont cristallisé sous forme de sphères dans une situation d'apesanteur. On peut faire une comparaison avec les images reçues depuis la station Mir ou dans la station spatiale internationale (ISS) où l'on voit du liquide en apesanteur qui forme des boules d'eau.
  • Une météorite comporte souvent des zones riches en métaux. On voit des zones réfléchissantes sur une section nette, lorsqu'on fait pivoter l'échantillon par rapport à une source de lumière. Une météorite attire souvent l'aimant, ceci est dû à sa richesse en fer (figure 10).

Figure 8. Comparaison entre la densité d'une roche terrestre et celle d'une météorite

Comparaison entre la densité d'une roche terrestre et celle d'une météorite

Figure 9. Croûte de fusion et des chondres sur une section de météorite (chondrite)

Croûte de fusion et des chondres sur une section de météorite (chondrite)

Figure 10. Exemple de météorite attirant un aimant

Exemple de météorite attirant un aimant

Où peut-on trouver des météorites ?

Les météorites tombent uniformément sur la Terre, mais il y a certains endroits où il est plus facile de les trouver et de les reconnaître.

Dans le désert (figures 11, 12, 13), les météorites sombres ressortent bien sur le sable clair. Les météorites sont dans ce cas là nommées par le nom de la ville la plus proche du lieu de découverte.

Les météorites trouvées dans le désert du Sahara sont appelées NWA ( North West Africa ) suivi d'un nombre. Sinon, elles sont appelées par le nom de la ville la plus proche. Par exemple, la météorite de Chassigny, dont la chute a été observée, a été découverte en France en 1815, près du village de Chassigny (Haute-Marne). Elle a donné son nom aux chassignites, un groupe de météorites martiennes.

Figure 11. Le désert

Le désert

Figure 12. Vue d'une météorite dans le désert

Vue d'une météorite dans le désert

Figure 13. Une météorite trouvée dans le désert

Une météorite trouvée dans le désert

En Antarctique (figures 14, 15, 16), là aussi les météorites sombres sont bien visibles au milieu de la neige.

De plus, il existe un mécanisme d'accumulation (figure 17) : les météorites qui tombent sur le sol antarctique, sont ensuite enfouies de plus en plus profondément en raison de l'accumulation de neige, puis elles sont transportées avec la glace lors de son écoulement jusqu'à la bordure du continent. Si un relief fait obstacle à cet écoulement, la glace a tendance à remonter sur le relief et subit une érosion importante liée au vent. Les météorites s'accumulent ainsi à la surface de la glace. Une région est célèbre pour ses accumulations de météorites, ce sont les Allan Hills (collines d'Allan), d'où le nom ALH (suivi d'un nombre) donné aux météorites récoltées dans cette zone.

Figure 14. Atterrissage en Antarctique

Atterrissage en Antarctique

Figure 15. Découverte d'une météorite en Antarctique

Découverte d'une météorite en Antarctique

Figure 16. Vue rapprochée d'une météorite en Antarctique

Vue rapprochée d'une météorite en Antarctique

Figure 17. Mécanisme d'accumulation des météorites en Antarctique

Mécanisme d'accumulation des météorites en Antarctique

Existe-t-il différents types de météorites ?

Les météorites présentées jusqu'à présent font partie du premier type de météorites (les chondrites, car elles ont des chondres ), le plus abondant, dans lequel se placent 80% des météorites trouvées . Les composants de ces météorites sont indiqués sur la figure 18.

Figure 18. Les constituants des chondrites

Les constituants des chondrites

Il existe aussi des météorites sans chondres, ce sont des achondrites . Parmi ces achondrites, on rencontre plusieurs sous-types :

Des météorites de fer (figure 19), constituées essentiellement de métal .

Figure 19. Une météorite de fer dont une section a été polie

Une météorite de fer dont une section a été polie

Une légère attaque à l'acide de la section polie d'une météorite de fer révèle des figures géométriques bien particulières. Ces bandes entrecroisées liées à la cristallisation de minéraux composées de fer et de nickel en proportion variable, forment des figures appelées figures de Widmanstätten.


Des " météorites rocheuses ". On peut citer par exemple :

  • les diogénites, qui sont proches des roches terrestres telles que les péridotites ou les gabbros (figure 20) ;
  • les shergottites, qui ressemblent à des basaltes (figure 20).

La figure 21 résume toutes ces informations.

Figure 21. Les différents types de météorites (simplifiés)

Les différents types de météorites (simplifiés)

Finalement, les météorites de fer ont la composition de la partie métallique des chondrites. Les météorites pierreuses semblent similaires à la partie "rocheuse", c'est-à-dire silicatée des chondrites.

Quelles informations peut-on tirer de cette observation ? Nous le verrons plus tard, pour l'instant intéressons-nous à l'origine des météorites.

D'où viennent les météorites ?

Les météorites proviennent d'un corps parent auquel elles ont été arrachées par un choc très puissant. Ce corps parents peut être un astéroïde, Mars, la Lune (figure 22).

Par exemple, un très gros impact sur Mars, projette des fragments de Mars si violemment que ces derniers peuvent s'échapper de Mars et arriver sur Terre (figure 23).

Figure 22. Corps parents à l'origine des météorites

Corps parents à l'origine des météorites

Figure 23. Du corps parent à la Terre

Du corps parent à la Terre

Où placer les météorites par rapport à la formation de la Terre et du système solaire ?

La datation des chondrites indique un âge de 4,5 Ga et fait des ces roches les plus vieux éléments du système solaire.

Si on compare la composition chimique des chondrites à celle de la Terre globale (toutes les enveloppes terrestres prises en compte), on trouve que la chimie moyenne des chondrites est identique à celle de la Terre globale (figure 24).

Cependant, il ne faut pas oublier que les chondrites sont constituées d'un mélange intime de silicates ("cailloux"), de fer alors que dans la Terre, les parties composée de silicates (croûte et manteau) sont séparées de la partie riche en fer (le noyau) (figure 24).

Figure 24. Comparaison de chondrite / Terre

Comparaison de chondrite / Terre

Comment passer d'une chondrite à la Terre ?

Par le biais de certains calculs, on peut montrer que les météorites différenciées (achondrites) sont issues de chondrites : le fer et les silicates se sont donc séparés pour former deux types de météorites.

Cette séparation s'explique si on prend en compte le fait que la Terre, à ses débuts, était une gigantesque boule chondritique en fusion, résultant de l'accrétion de chondrites. En fusionnant, le métal liquide, plus lourd a migré vers le centre de la Terre tandis que les silicates en fusion, plus légers restent au-dessus. La Terre s'est ensuite refroidie.

D'autres planètes ont pu se former de la même manière, et si par la suite, elles se sont fragmentées (en raison de collisions par exemple), on peut trouver (figure 25) :

  • des fragments de la partie silicatée (à l'origine des météorites pierreuses) ;
  • des fragments de noyau (à l'origine des météorites de fer) ;
  • des fragments qui correspondent à la limite entre le noyau et le manteau (à l'origine de météorites particulières : les pallasites qui comportent des cristaux d'olivine dans une matrice de fer, photographie centrale de la figure 25).

La figure 26 résume le processus décrit ci-dessus.

Tout ce qui a été dit précédemment n'explique pas comment les chondrites se sont formées. Pour répondre à cette question, revenons sur la formation du système solaire. Étant donné que le Soleil représente 99,999% de la masse du système solaire, la composition chimique du Soleil donne une idée de celle du système solaire.

Regardons si les chondrites ont la composition du système solaire. Si on exclut les gaz (le Soleil est essentiellement constitué de gaz), et si on reporte pour chaque élément, son abondance dans le Soleil en fonction de son abondance dans les chondrites (figure 27), on s'aperçoit que le Soleil et les chondrites ont la même composition (les points s'alignent sur une droite de pente 1).

Figure 27. Comparaison entre la chimie du Soleil et celle des chondrites

Comparaison entre la chimie du Soleil et celle des chondrites

Réalisons une expérience pour essayer de simuler la formation du système solaire. On prend les 16 éléments les plus abondants du système solaire (voir la composition du Soleil), on refroidit le tout à faible pression. Dans ces conditions, on passe directement de l'état gazeux à solide. Ce qui apparaît en premier (entre 2500° et 2000°C) ce sont des inclusions réfractaires (riches en calcium et aluminium). Notons que ces premières phases qui condensent ont la composition des CAI ( Calcium Aluminium Inclusions ) des chondrites. Les CAI des chondrites ont d'ailleurs été datées, et ce sont en effet les plus vieux éléments des chondrites.

Puis, lorsque la température diminue encore, ce sont les métaux (fer avec un peu de nickel), puis les silicates, puis la matière organique et enfin la glace (dont de la glace d'eau, mais aussi glace de méthane, d'ammoniac) (figure 28).


Donc, en refroidissant le Soleil, on forme tous les constituants observés dans les chondrites. En simplifiant, on peut donc résumer la formation des chondrites avec la figure 29 : tout commence avec la nébuleuse solaire (nuage de gaz) qui se refroidit, les différents matériaux condensent (inclusions réfractaires, métaux, silicates, glaces...). Dans la partie intermédiaire de ce nuage où il y a peu de poussières glacées, les poussières qui se rassemblent (s'accrètent) forment des corps de plus en plus gros, qui ont la composition des chondrites. Si ce corps se brise avant de se différencier en plusieurs enveloppes, on obtient des fragments qui ont une composition de chondrite.

Pour en savoir davantage, se référer à la conférence de Pierre Thomas sur les météorites.

Figure 29. Origine des chondrites (à partir de corps non différenciés) et des achondrites (à partir de corps différenciés)

Origine des chondrites (à partir de corps non différenciés) et des achondrites (à partir de corps différenciés)

Les météorites apportent-elles des informations sur la vie sur Mars?

Avant tout, il faut récolter des météorites provenant de Mars. Mais comment reconnaît-on une météorite martienne ?

Comment sait-on qu'une météorite vient de Mars ?

Une première information provient de l'étude géochimique des météorites. On utilise en particulier les isotopes de l'oxygène. Il existe dans la nature, de manière stable, différents atomes d'oxygène qui différent par leur masse : un lourd (noté 18O), un moyen (noté 17O) et un léger (le plus fréquent, noté 16O). Lorsque l'on place sur le même diagramme, les météorites et les roches terrestres en fonction de leur composition en 17O et 18O (Cliquez ici pour en savoir plus sur la notation δ18O ou δ17O utilisée dans le diagramme), on peut grouper les échantillons analysés qui s'alignent sur une même droite (figure 30). L'alignement sur une même droite indique que les roches proviennent du même corps.

Par exemple, toutes les roches terrestres sont sur une même droite. La Lune est également sur cette même droite, ce qui indique qu'elle a été formée à partir de la Terre.

Les SNC (pour Shergottite Nakhlite Chassignite qui désignent les trois premières météorites martiennes découvertes), sont alignées et proviennent donc d'un même corps parent.


Comment a-t-on su que ce corps parent était Mars ?

Certaines SNC sont des roches volcaniques jeunes . Elles proviennent donc d'un corps qui présente des volcans encore actifs. Les seuls candidats possibles sont Mars, Vénus et Io (satellite de Jupiter) (figures 31, 32, 33).

Figure 31.  Olympus Mons , un volcan martien

Olympus Mons, un volcan martien

Figure 32.  Maat mons , un volcan de Vénus

Maat mons, un volcan de Vénus

Figure 33. Éruption volcanique sur Io, chaîne volcanique de Tvashtar Catena avec caldeiras géantes

Éruption volcanique sur Io, chaîne volcanique de Tvashtar Catena avec caldeiras géantes

La zone jaune rouge correspond à une coulée de lave récemment émise encore chaude, qui mesure 60 km de long.


Attardons nous sur une météorite spéciale : EETA 79001 (figure 34) dans laquelle se trouvent des poches de fusion, c'est-à-dire des zones qui ont fondues quand le matériel a été éjecté du corps parent. En passant dans l'atmosphère du corps parent, les parties fondues ont pu emprisonner des bulles de gaz. L'analyse de la composition chimique de ces bulles de gaz montre que ces dernières ont la composition de l'atmosphère martienne , connue par ailleurs grâce à des sondes envoyées sur place (figure 35).

On a donc là, la preuve que EETA 79001 vient de Mars. Or comme EETA 79001 se place sur la même droite que les SNC, on en déduit que les SNC et EETA 79001 proviennent du même corps qui se trouve être Mars.

ALH84001, une météorite à bactérie martienne ?

La météorite ALH84001 (figure 36), ramassée en 1984 a fait beaucoup parler d'elle car en 1996 des chercheurs ont annoncé avoir repéré des indices suggérant l'existence d'une forme de vie.

Figure 36. La météorite ALH84001

La météorite ALH84001

Plusieurs observations ont été évoquées en faveur d'une vie martienne.

  • L'existence de nodules de carbonate présentant une zonation chimique (figure 37). Cette zonation chimique est due pour certains à un contrôle biologique des processus, pour d'autres à des circulations de fluides de composition variable au cours du temps.
  • La présence de structures ressemblant à des bactéries terrestres (figure 37). Ces structures sont certes de petite taille (entre 20 et 100 nm de longueur, donc 100 fois plus petites que les bactéries terrestres), mais des micro-organismes terrestres d'aussi petite taille ont été découverts dans les basaltes de la croûte océanique et à proximité de sources chaudes (Yellowstone, USA).
  • La présence de chaines de cristaux de magnétite (cristaux de 10-75 nm) à la périphérie de globules de carbonates. Pour certains, ces cristaux ont les caractéristiques de ceux trouvés dans des bactéries terrestres, pour d'autres ils sont formés par précipitation de fluides chauds.
  • La détection de molécules organiques (HAP : hydrocarbure aromatique polycyclique). Dans ce cas également, l'origine des ces molécules n'est pas exclusivement biologique.

Finalement, pour chacune de ces structures une origine abiotique n'est pas exclue. La figure 39 donne d'ailleurs des exemples de formes minérales qui pourraient facilement être confondues avec des formes biologiques.

Il faut également tenir compte de la contamination de la météorite par des molécules terrestres durant tout son séjour sur Terre.

Le problème qui se pose donc est de reconnaître une structure biotique (résultant de la vie) d'une structure abiotique (résultant d'un processus non lié à la vie). Et la question de l'existence de vie sur Mars est donc toujours en suspens.

Figure 37. Globules de carbonate (gauche) et bactéries sphériques (coques) (droite)

Globules de carbonate (gauche) et bactéries sphériques (coques) (droite)

Ces nodules ont une taille de 100 à 250 µm et présentent une zonation concentrique. Le centre orangé est composé de carbonate de calcium, les anneaux externes noirs sont constitués de carbonate de fer, et l'anneau blanc (entre les 2 couches noires) est formé de carbonate de magnésium. L'image de droite est une photographie de cyanobactéries primitives capables de survivre dans des conditions extrêmes.


Figure 38. Structures en bâtonnet ressemblant à des formes bactériennes

Structures en bâtonnet ressemblant à des formes bactériennes

Image prise au microscope électronique à balayage. Le bâtonnet du centre de l'image mesure 0,2 µm. Cette structure est interprétée par certains chercheurs comme un fossile de nanobactéries, alors que d'autres n'y voient qu'une structure d'origine minérale.


Figure 39. Structures ressemblant à des bactéries, trouvées dans des fractures de la météorite de Tatahouine ou dans le sol la recouvrant

Structures ressemblant à des bactéries, trouvées dans des fractures de la météorite de Tatahouine ou dans le sol la recouvrant

Noter que ces structures ont une taille comprable à celles observées sur la météorite martienne ALH84001. RSF = rhod-shaped form = structure en forme de bâtonnet. Les flèches indiquent des structures encroûtées dans le minéral (pyroxène ici).


Figure 40. Formes minérales pouvant être confondues à des structures biologiques

Formes minérales pouvant être confondues à des structures biologiques

Voir également l'article au sujet de la vie sur Mars.

Conclusion

  • Les météorites présentent des caractéristiques communes (croûte de fusion, attirent souvent un aimant, peuvent présenter des chondres).
  • Elles nous renseignent sur la formation de la Terre et du système solaire.
  • Elles peuvent nous renseigner aussi sur l'intérieur de la Terre et des autres planètes.
  • Elles posent le problème de reconnaître les structures biotiques des structures abiotiques.

Sites utiles