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Interview Olivier Mousis

Les enjeux de la découverte de dioxygène dans la coma de 67P

Entretien avec Olivier Mousis à propos de la détection d’oxygène moléculaire (O2) dans la coma de 67P grâce à l’instrument ROSINA de Rosetta. Une découverte surprenante qui suggère que le dioxygène a été incorporé dans le noyau lors de sa formation.

Un article publié dans l’édition du 29 octobre de la revue scientifique Nature annonce la détection de dioxygène (O2) dans la coma de 67P/Churyumov-Gerasimenko. Cette découverte a été faite grâce à l’instrument ROSINA installé sur Rosetta. La vapeur d’eau, le monoxyde et le dioxyde de carbone sont les composants essentiels de la coma (95 %) et d’autres molécules ont déjà été détectées en moindres proportions (méthane, sulfure d’hydrogène, ammoniac, azote, argon), mais c’est la première fois que du dioxygène est détecté. Les mesures effectuées avec ROSINA montrent que le rapport O2/H2O varie entre 1 % et 10 %, avec une valeur moyenne de 3,8 %, et, surtout, que ce rapport n’a pas varié significativement au fil des milliers de mesures réalisées entre septembre 2014 et mars 2015 alors que Rosetta circulait à une distance comprise entre 10 et 30 km du noyau.

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67P/Churyumov-Gerasimenko
Crédit : ESA/Rosetta/NAVCAM

L’importance de la proportion de dioxygène par rapport à l’eau et la pérennité de son émission suggèrent que ce dioxygène n’est pas produit actuellement par l’interaction des matériaux du noyau ou de la coma avec le vent solaire et le rayonnement ultraviolet du Soleil, mais qu’il était incorporé dans la glace du noyau, ce que les modèles actuels de formation du Système solaire ne permettent pas d’expliquer. Oliviers Mousis, cosignataire de l’article dans Nature, professeur d’université et chercheur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université/CNRS) a bien voulu répondre à quelques questions sur les enjeux de cette détection surprenante.

Pouvez-vous nous résumer en quelques phrases le contenu de l’article dont vous êtes l’un des cosignataires ?

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Oliviers Mousis, professeur d’université et chercheur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université/CNRS)
Crédit : Université de Franche-Comté

Olivier Mousis : « L’abondance du dioxygène détecté dans la coma de 67P avec ROSINA par rapport à l’eau oscille entre 1 % et 10 %. Ce sont des valeurs extrêmement élevées et, ce qui est particulièrement intéressant, c’est que le taux de production de dioxygène suit parfaitement celui de l’eau : les moindres oscillations sont similaires pour ces deux molécules. La première conclusion qui peut être faite et sur laquelle il n’y a aucune ambiguïté, c’est que le dioxygène est forcément imbriqué dans la glace d’eau sur le noyau. Il n’y a pas de doute là-dessus, il n’y a pas une deuxième phase, le dioxygène est intrinsèquement mélangé à l’eau. »

Un petit rappel sur comment fonctionne ROSINA, l’instrument de Rosetta qui a permis la détection du dioxygène ?

OM : « ROSINA est l’acronyme de Rosetta Orbiteur Spectrometer for Ion and Neutral Analysis ; la principale investigatrice de cet instrument est Kathrin Altwegg (université de Berne, Suisse). ROSINA est une sorte de « nez » qui « renifle » le gaz présent dans la coma et qui sépare les molécules en fonction de leur masse. Il ionise les molécules et on peut alors déterminer le poids de chaque molécule en fonction de sa déviation dans un champ magnétique. »

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L’instrument ROSINA avant son installation sur l’orbiteur de la sonde Rosetta
Crédit : Université de Berne

Comment pouvez-vous être sûrs que le dioxygène détecté n’est pas produit actuellement par l’interaction des matériaux du noyau ou de la coma avec le vent solaire ou le rayonnement ultraviolet du Soleil ?

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Oliviers Mousis, professeur d’université et chercheur au Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (Aix-Marseille Université/CNRS)
Crédit : Université de Franche-Comté

OM : « Si cela avait été le cas, le taux de production aurait été beaucoup plus faible. Pour un processus dont l’efficacité peut monter jusqu’à 10 %, ce n’est pas possible. Cette "super corrélation" nous fait vraiment penser que le dioxygène pourrait être piégé dans la structure cristalline de la glace d’eau. Quel que soit le modèle de formation cométaire considéré, on a en effet de la glace cristalline dans les couches supérieures de la comète. »

Mais alors comment une molécule d’oxygène peut-elle être piégée dans un réseau de glace cristalline d’eau, par quel processus ?

OM : « C’est la grande question ! Nous travaillons dessus depuis la détection, donc cela fait déjà quelques mois, et nous n’avons pas encore trouver la solution : aujourd’hui, nous ne savons pas comment stabiliser une molécule d’oxygène dans de la glace d’eau cristalline. »

Avez-vous pensé à une autre solution ?

OM : « Peut-être que l’oxygène est piégée dans un clathrate d’eau. Nous savons que sur Terre c’est possible. Quand on fait du carottage en Antarctique, par exemple, on voit que des bulles d’air et de l’oxygène sont piégées dans la glace. Mais le problème, dans le cas d’un noyau cométaire, c’est que cela signifierait qu’il y aurait une deuxième phase et il n’y aurait pas une corrélation aussi étroite entre le pourcentage d’émission de dioxygène et celui de vapeur d’eau. Pour le moment, nous sommes donc contraints de constater que nous nous trouvons face à un mystère concernant la nature du piégeage de ces molécules d’oxygène. »

nous nous trouvons face à un mystère concernant la nature du piégeage de ces molécules d’oxygène

Au-delà de ce problème, la question de leur origine se pose également ?

OM : « Il y a deux sources possibles : soit l’oxygène était présent dans la nébuleuse primitive et a été accrété dans la glace du noyau de la comète, soit l’oxygène a été produit au cours de l’évolution du noyau depuis 4,5 milliards d’années par des mécanismes comme la radiolyse ou la photolyse. »

Comment fonctionnent photolyse et radiolyse ?

OM : « Du rayonnement ultraviolet ou des particules très énergétiques, des rayons cosmiques par exemple, peuvent casser les liaisons de l’eau et deux atomes d’oxygène peuvent alors se recombiner pour former une molécule de dioxygène. Mais il y a deux problèmes : d’une part, ces mécanismes devraient également produire de l’ozone (O3) or ROSINA n’en a pas détecté ; d’autre part, ils ne peuvent concerner que les couches superficielles, quelques mètres de profondeur au maximum depuis la formation du noyau, et ces couches disparaissent lorsque la comète se rapproche du Soleil. Quant à la photolyse ou la radiolyse engendrées par le vent solaire ou le rayonnement ultraviolet entre les passages à proximité du Soleil, elle ne doit concerner que quelques micromètres d’épaisseur et l’émission de dioxygène devrait donc décroître ou disparaître à l’approche du périhélie et ce n’est pas ce que nous avons observé. »

Donc photolyse et radiolyse sont à écarter ?

OM : « Et bien, en fait, nous n’abandonnons pas cette piste, car on peut imaginer que ce sont plutôt les grains qui ont formé le noyau à l’origine qui auraient été concernés par ces mécanismes avant leur accrétion et, du coup, on aurait une répartition homogène du dioxygène dans le noyau. On peut également penser que notre connaissance des mécanismes d’irradiation dans la nébuleuse primitive pourrait être améliorée. Il faut donc poursuivre les expériences de laboratoire pour voir si, en modifiant des paramètres, ces mécanismes ne pourraient pas expliquer ce que nous observons. Cela fait beaucoup de questions à résoudre, mais c’est extrêmement stimulant intellectuellement ! »

Si le dioxygène n’est pas le produit de ces mécanismes, il pourrait avoir été déjà présent dans la nébuleuse primitive du Système solaire ?

OM : « Aujourd’hui, il y a deux scénarios qui s’opposent pour l’origine des comètes. Le scénario qui propose que les glaces cométaires se sont formées dans la nébuleuse primitive, et celui qui propose que les glaces cométaires proviennent du milieu interstellaire et qu’elles seraient donc plus anciennes que la formation du Système solaire. Dans le cadre de ce second scénario, comme nous savons que l’oxygène moléculaire est plutôt abondant dans le milieu interstellaire, on peut imaginer qu’il a pu être piégé dans les glaces du milieu interstellaire, puis intégré dans les comètes lorsqu’elles se sont formées. »

La question la plus importante est vraiment, pour moi, de déterminer l’origine des matériaux cométaires, et je pense que nous pourrons bientôt faire progresser la connaissance scientifique sur ce sujet

Est-ce que l’on peut dire que, pour le moment, vous ne pouvez pas trancher le débat ?

OM : « Dans l’article que nous venons de publier dans Nature, nous exposons la détection de l’oxygène et nous donnons quelques pistes possibles pour son origine. Nous ne pouvons pas encore trancher, mais le débat entre chercheurs est passionnant, parfois un peu vif, mais passionnant ! La question la plus importante est vraiment, pour moi, de déterminer l’origine des matériaux cométaires, et je pense que nous pourrons bientôt faire progresser la connaissance scientifique sur ce sujet. »

Article scientifique

Abundant molecular oxygen in the coma of 67P/Churyumov–Gerasimenko par A. Bieler et al, Nature (29 octobre 2015).
Publié dans : Sciences
Pour les cibles : Grand Public
A propos de : 67P, oxygène moléculaire, Origine des comètes, Tchouri.

Voir en ligne : L’interview sur le site du CNES