En combinant les neutrons et l’imagerie par rayons X, les scientifiques étudient les météorites pour explorer comment la Terre a acquis son eau

Chaque année, des centaines de météorites – des corps rocheux laissés par la formation du système solaire – bombardent la Terre, apportant des minéraux, des métaux et de l’eau à notre planète. L’analyse des crevasses et des dépôts riches en minéraux à l’intérieur des météorites révèle non seulement l’histoire ancienne de la formation des planètes, mais peut fournir des indices sur la façon dont la jeune Terre a acquis de l’eau et d’autres ingrédients essentiels à la vie.

Aujourd’hui, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont combiné deux techniques complémentaires – l’imagerie par rayons X et l’imagerie par neutrons – pour scruter l’intérieur de ces vestiges rocheux.

L’imagerie neutronique est idéale pour rechercher de l’eau et d’autres composés contenant de l’hydrogène car les neutrons ricochent facilement sur l’hydrogène. En revanche, l’imagerie par rayons X est la meilleure pour trouver des dépôts d’éléments lourds, tels que le fer et le nickel, car les rayons X sont principalement diffusés par le grand nombre d’électrons dans les atomes lourds.

Aucune des deux techniques d’imagerie n’endommage ou n’altère de manière significative les météorites, contrairement à d’autres méthodes d’analyse de la composition chimique des roches, qui nécessitent de couper de fines tranches de météorites. Bien que chaque méthode d’imagerie ait été utilisée séparément dans le passé, l’équipe est parmi les premières à utiliser les deux techniques simultanément pour créer des instantanés de rayons X et de faisceaux de neutrons.

Dans leur étude pilote, les scientifiques ont examiné deux météorites dont la teneur en minéraux et en eau était déjà bien connue afin qu’ils puissent évaluer la précision des méthodes d’imagerie combinées. L’une des roches, surnommée EET 87503, est un fragment de la surface du grand astéroïde Vesta, mais contient également des matériaux provenant d’une autre variété d’astéroïdes riches en eau.

L’autre météorite, GRA 06100, riche en fer et en nickel, est classée comme une chondrite, une roche qui n’a pas été altérée par la fonte ou d’autres processus depuis les premiers jours du système solaire. Il contient également une quantité importante de silicates contenant de l’hydrogène formés par une exposition antérieure à l’eau.

Pour créer des vues tridimensionnelles des météorites, les chercheurs du NIST Jacob LaManna et Daniel Hussey, ainsi que des collègues du Lunar and Planetary Institute de Houston, du Oak Ridge National Laboratory du Tennessee et de l’Université de Chicago, ont utilisé les rayons X et faisceaux de neutrons pour imager les coupes transversales des roches. Des images individuelles de différentes sections transversales ont ensuite été combinées pour créer une image 3D, une technique connue sous le nom de tomographie. (Les médecins utilisent régulièrement des tomodensitogrammes à rayons X, plus communément appelés tomodensitogrammes, pour imager le corps humain.)

Les méthodes d’imagerie ont révélé avec précision les emplacements des minéraux riches en métaux, des minéraux silicatés, de l’eau et d’autres composés hydrogénés dans les deux météorites. L’imagerie neutronique a identifié et caractérisé les grains de chondrite dans le GRA 06100, qui ont ensuite pu être extraits pour une étude plus approfondie. L’imagerie 3D peut tester les théories sur la façon dont l’eau est entrée dans la roche et sur la voie empruntée par le liquide pour modifier la composition des minéraux et se lier à l’échantillon, a déclaré Hussey.

Bien que l’eau représente 70 % de la surface de la Terre, la manière exacte dont cette substance est arrivée sur notre planète fait l’objet d’un débat de longue date. Certains scientifiques planétaires suggèrent que les météorites et les comètes – reliques glacées du système solaire extérieur glacial – ont fourni l’eau, ainsi que les éléments constitutifs des protéines essentielles à la vie, après la formation du noyau de notre planète. D’autres suggèrent que la Terre a acquis l’eau lors de sa formation il y a 4,5 milliards d’années à partir de morceaux de gaz et de poussière qui ont emmailloté le soleil naissant et se sont fondus pour former notre planète.

L’eau se présente sous deux formes : l’eau ordinaire, composée d’hydrogène et d’oxygène, et l’eau lourde, composée de deutérium (hydrogène avec un neutron ajouté) et d’oxygène. Une façon de déterminer si les météorites étaient une source principale d’eau terrestre est de comparer l’abondance relative de ces deux types dans les roches aux abondances relatives de l’eau sur et sous la surface de la Terre. Les planétologues ont mesuré l’abondance de certaines météorites mais doivent en examiner un plus grand nombre.

Les images de neutrons et de rayons X peuvent aider à ces études. En identifiant l’emplacement des gisements de minéraux, de métaux et d’eau enfermés dans les météorites, les images pourraient guider les chercheurs sur la meilleure façon de découper des sections de roches afin qu’ils puissent mesurer ces abondances ainsi que la composition d’autres composés.

L’équipe du NIST a utilisé le NIST Center for Neutron Research, l’une des trois seules sources de recherche de faisceaux de neutrons aux États-Unis. Les chercheurs ont rendu compte de leur étude dans le numéro d’octobre de Météoritique et sciences planétaires.

L’équipe prévoit maintenant d’utiliser sa technique d’imagerie double pour étudier des météorites moins familières afin que leur teneur en eau et en minéraux puisse être cartographiée en détail pour la première fois, a déclaré LaManna.