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

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).

Source - © 2006 Planet-Terre / NASA

Figure 2. 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) :

Source - © 2006 Tristan Ferroir / Philippe Gillet

Figure 3. 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?

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.

Source - © 2006 Tristan Ferroir

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

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 1^er décembre 2005 dans le Sud-Ouest de l'Australie.

Source - © 2005 Meteorites Australia, meteorites.com.au

Figure 5. 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.

Source - © 2006 Pierre Thomas Figure 6. Impact de la météorite de Peekskill (USA) dans une voiture Pour en savoir plus sur cette météorite de Peekskill.

Source - © 2006 Google earth, modifié Figure 7. 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.

Source - © 2006 Tristan Ferroir Figure 8. Comparaison entre la densité d'une roche terrestre et celle d'une météorite
Source - © 2006 Tristan Ferroir Figure 9. Croûte de fusion et des chondres sur une section de météorite (chondrite)	Source - © 2006 Tristan Ferroir Figure 10. Exemple de météorite attirant un aimant

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.

Source - © 2005 R. Pelisson - http://www.SaharaMet.com Figure 11. Le désert
Source - © 2005 R. Pelisson - http://www.SaharaMet.com Figure 12. Vue d'une météorite dans le désert	Source - © 2005 R. Pelisson - http://www.SaharaMet.com Figure 13. 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.

Source - © 2000 Kimberly Shillcutt Tyree, PhD - Robotics Institute, Carnegie Mellon Univ. Figure 14. Atterrissage en Antarctique	Source - © 2000 Kimberly Shillcutt Tyree, PhD - Robotics Institute, Carnegie Mellon Univ. Figure 15. Découverte d'une météorite en Antarctique
Source - © 2000 Kimberly Shillcutt Tyree, PhD - Robotics Institute, Carnegie Mellon Univ. Figure 16. Vue rapprochée d'une météorite en Antarctique	Source - © 2000 Kimberly Shillcutt Tyree, PhD - Robotics Institute, Carnegie Mellon Univ. Figure 17. Mécanisme d'accumulation des météorites en Antarctique

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.

Source - © 2006 Tristan ferroir

Figure 18. 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.

Source - © 2006 Pierre Thomas / Musée Guimet, Lyon

Figure 19. 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 :

Source - © 2006 Matt Morgan/Gary Curtis/meteorites-times.com - Robert A. Haal

Figure 20. Une diogénite et une shergottite (achondrites pierreuses)

La figure 21 résume toutes ces informations.

Source - © 2006 Tristan Ferroir

Figure 21. 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.

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).

Source - © 2006 NASA Figure 22. Corps parents à l'origine des météorites

Source - © 2006 University of Virginia - Dept. of Astronomy - Adapté de Don Davis, NASA Figure 23. Du corps parent à la Terre

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).

Source - © 2006 T. Ferroir / meteorites-times.com , Matt Morgan, Gary Curtis / P. Thomas

Figure 24. 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) :

La figure 26 résume le processus décrit ci-dessus.

Source - © 2006 Tristan Ferroir Figure 25. Équivalence entre les différents types de météorites et les enveloppes terrestres

Source - © 2006 Pierre Thomas, Nathan Figure 26. Schéma récapitulatif de la formation des différents types de météorites et des planètes (Mercure, Vénus, Terre, Mars)

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).

Source - © 1971 D'après Masson

Figure 27. 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).

Source - © 2006 Tristan Ferroir

Figure 28. Simulation de refroidissement du système solaire, ordre de condensation des différentes phases

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.

Source - © 1992 D'après "Enseigner la géologie au collège et au lycée", Collectif Nathan

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

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.

Source - © 2006 Tristan Ferroir

Figure 30. Alignement des différentes météorites et des échantillons terrestres et lunaires dans un diagramme δ¹⁸O / δ¹⁷O

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).

Source - © 2006 NASA Figure 31. Olympus Mons, un volcan martien
Source - © 2006 NASA Figure 32. Maat mons, un volcan de Vénus	Source - © 2000 NASA/JPL/Univ. of Arizona Figure 33. 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.

Source - © 2006 NASA/JPL Figure 34. La météorite EETA 79001 et ses poches de fusion

Source - © 2006 Tristan Ferroir Figure 35. Comparaison entre la composition chimique des bulles de gaz de EETA 79001 et celle de l'atmosphère martienne

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.

Source - © 2006 NASA Johnson Space Center

Figure 36. 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.

Source - © 1995 LPI/CASS - E.I. Friedmann/R. Ocampo-Friedmann, Adv. Space Res. Figure 37. 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.

Source - © 2003 NASA/JSC Figure 38. 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.

Source - © 2000 Gillet et al., EPSL Figure 39. 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).

Source - © 2006 Université de Jussieu Figure 40. Formes minérales pouvant être confondues à des structures biologiques

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