L’eau de la Terre a 4,5 milliards d’années, selon une nouvelle étude

L’origine de l’eau de la Terre est un mystère persistant. Il existe différentes hypothèses et théories expliquant comment l’eau est arrivée ici, et de nombreuses preuves les soutiennent.

Mais l’eau est omniprésente dans les disques protoplanétaires, et l’origine de l’eau n’est peut-être pas si mystérieuse après tout.

Un article de recherche dans Éléments montre que d’autres jeunes systèmes solaires ont de l’eau en abondance. Dans les systèmes solaires comme le nôtre, l’eau accompagne la croissance de la jeune étoile et la formation des planètes. La preuve en est la teneur en eau lourde de la Terre, et elle montre que l’eau de notre planète a 4,5 milliards d’années.

L’article est « Nous buvons une bonne eau vieille de 4,5 milliards d’années », et les auteurs sont Cecilia Ceccarelli et Fujun Du. Ceccarelli est un astronome italien de l’Institut des sciences planétaires et d’astrophysique de Grenoble, en France. Du est astronome au Purple Mountain Observatory à Nanjing, en Chine.

La formation d’un système solaire commence par un nuage moléculaire géant. Le nuage est principalement composé d’hydrogène, principal composant de l’eau. Viennent ensuite l’hélium, l’oxygène et le carbone, par ordre d’abondance. Le nuage contient également de minuscules grains de poussière de silicate et de poussière carbonée. L’article de recherche nous emmène à travers l’histoire de l’eau dans notre système solaire, et c’est là que tout commence.

Ici, dans les étendues froides d’un nuage moléculaire, lorsque l’oxygène rencontre un grain de poussière, il gèle et adhère à la surface. Mais l’eau n’est pas de l’eau tant que l’hydrogène et l’oxygène ne se combinent pas, et les molécules d’hydrogène plus légères dans le nuage sautillent sur les grains de poussière gelés jusqu’à ce qu’elles rencontrent l’oxygène. Lorsque cela se produit, ils réagissent et forment de la glace d’eau – deux types d’eau : l’eau ordinaire et l’eau lourde contenant du deutérium.

Le deutérium est un isotope de l’hydrogène appelé hydrogène lourd (HDO). Il a un proton et un neutron dans son noyau. Cela le sépare de l’hydrogène « ordinaire », appelé protium. Le protium a un proton mais pas de neutron. Ces deux isotopes d’hydrogène sont stables et persistent à ce jour, et les deux peuvent se combiner avec l’oxygène pour former de l’eau.

Lorsque la glace d’eau forme un manteau sur les grains de poussière, les auteurs l’appellent la phase froide, première étape du processus qu’ils décrivent dans leur article.

La gravité commence à s’exercer dans le nuage alors que la matière s’agglutine au centre. Plus de masse tombe au centre du nuage moléculaire et commence à former une protoétoile. Une partie de la gravité est convertie en chaleur, et à quelques unités astronomiques (UA) du centre du nuage, le gaz et la poussière dans le disque atteignent 100 Kelvin.

100 K est extrêmement froid en termes terrestres, seulement -173 degrés Celsius. Mais chimiquement, cela suffit pour déclencher la sublimation, et la glace change de phase en vapeur d’eau. La sublimation se produit dans une région corino chaude, une enveloppe chaude entourant le centre du nuage. Bien qu’ils contiennent également des molécules organiques complexes, l’eau devient la molécule la plus abondante dans les corinos.

L’eau est abondante à ce stade, même si tout est vapeur. « … un corino chaud typique contient environ 10 000 fois l’eau des océans de la Terre », écrivent les auteurs.

C’est la deuxième étape du processus décrit par les auteurs, et ils l’appellent la phase protostar.

Ensuite, l’étoile commence à tourner et le gaz et la poussière environnants forment un disque rotatif aplati appelé disque protoplanétaire. Tout ce qui deviendra éventuellement les planètes du système solaire et d’autres éléments se trouve à l’intérieur de ce disque.

La jeune protoétoile est toujours en train de rassembler de la masse, et sa vie de fusion sur la séquence principale est encore bien dans son avenir. La jeune étoile génère un peu de chaleur à cause des chocs à sa surface, mais pas beaucoup. Le disque est donc froid, et les régions les plus éloignées de la jeune protoétoile sont les plus froides. Ce qui se passe ensuite est crucial, selon les auteurs.

La glace d’eau qui s’est formée à la première étape est libérée dans le gaz à la deuxième étape mais se recondense à nouveau dans les parties les plus froides du disque protoplanétaire. La même population de grains de poussière est à nouveau recouverte d’un manteau glacé. Mais maintenant, les molécules d’eau dans ce manteau glacé contiennent l’histoire de l’eau dans le système solaire. « Ainsi, les grains de poussière sont les gardiens de l’héritage de l’eau », écrivent les auteurs.

C’est la troisième étape du processus.

À la quatrième étape, le système solaire commence à prendre forme et ressemble à un système plus complet. Toutes les choses auxquelles nous sommes habitués, comme les planètes, les astéroïdes et les comètes, commencent à se former et à prendre leurs orbites. Et de quoi proviennent-ils ? Ces minuscules grains de poussière et leurs molécules d’eau gelées deux fois.

C’est la situation dans laquelle nous nous trouvons aujourd’hui. Bien que les astronomes ne puissent pas voyager dans le temps, ils s’améliorent pour observer d’autres jeunes systèmes solaires et trouver des indices sur l’ensemble du processus. L’eau de la Terre contient également un indice critique : le rapport entre l’eau lourde et l’eau ordinaire.

Certains détails sont omis de l’explication simple donnée jusqu’à présent. Lorsque la glace d’eau se forme à la première étape, la température est extrêmement basse. Cela déclenche un phénomène inhabituel appelé super-deutération. La super-deutération introduit plus de deutérium dans la glace d’eau qu’à d’autres températures.

Le deutérium ne s’est formé que dans les secondes qui ont suivi le Big Bang. Il ne s’en est pas beaucoup formé : un seul deutérium pour 100 000 atomes de protium. Cela signifie que si le deutérium était uniformément mélangé à l’eau du système solaire, l’abondance d’eau lourde serait exprimée par 10-5. Mais il y a plus de complexité à venir.

Dans un corino chaud, l’abondance change. « Cependant, dans les corinos chauds, le rapport HDO/H2O n’est qu’un peu inférieur à 1/100 », expliquent les auteurs. (HDO est des molécules d’eau contenant deux isotopes de deutérium et H2O est de l’eau ordinaire contenant deux isotopes de protium.)

Il y a encore plus d’extrémité. « Pour rendre les choses encore plus extrêmes », expliquent les auteurs, « l’eau doublement deutérée D2O est de 1/1000 par rapport à H2O, soit environ 107 fois plus grande que ce qui serait estimé à partir du rapport d’abondance élémentaire D/H. »

Les rapports contiennent de si grandes abondances de deutérium à cause de la super-deutération. Au moment où la glace se forme sur les surfaces des grains de poussière, il y a un nombre accru d’atomes D par rapport aux atomes H atterrissant sur les surfaces des grains. L’explication chimique approfondie dépasse le cadre de cet article, mais la conclusion est claire. « Il n’y a pas d’autres moyens d’obtenir cette grande quantité d’eau lourde dans les corinos chauds ni en général », écrivent les auteurs. « Par conséquent, une eau lourde abondante est une caractéristique de la synthèse de l’eau dans le nuage moléculaire froid pendant l’ère STEP 1. »

L’important jusqu’à présent est qu’il y a deux épisodes de synthèse d’eau. Le premier se produit lorsque le système solaire n’est pas encore formé et n’est qu’un nuage froid. La seconde est lorsque les planètes se forment. Les deux se produisent dans des conditions différentes, et ces conditions laissent leur empreinte isotopique sur l’eau. L’eau de la première synthèse a 4,5 milliards d’années, et la question devient : « Quelle quantité de cette eau ancienne a atteint la Terre ?

Pour le savoir, les auteurs ont observé les deux seules choses qu’ils pouvaient : la quantité d’eau globale et la quantité d’eau deutérée. Comme les auteurs l’ont dit, « … à savoir, le rapport de l’eau lourde sur l’eau normale, HDO/H2O. »

Plus qu’assez d’eau a été créée pour représenter l’eau de la Terre. Rappelez-vous que la quantité d’eau dans le corino chaud était 10 000 fois supérieure à l’eau de la Terre et que son rapport HDO/H2O est différent de l’eau formée dans le nuage initial. Quelle quantité d’eau de corino a atteint la Terre ? Un indice peut être trouvé en comparant les valeurs HDO/H2O des eaux terrestres avec celles des corinos chauds.

Les corinos chauds sont le seul endroit où nous avons observé HDO dans tous les systèmes planétaires de type solaire encore en formation. Dans des recherches antérieures, les scientifiques ont comparé ces ratios avec les ratios des objets de notre système solaire – comètes, météorites et Encelade, la lune glacée de Saturne. Ils savent donc que l’abondance d’eau lourde sur Terre, le rapport HDO/H2O, est environ dix fois plus importante que dans l’univers et au début du système solaire. « L’eau « lourde par rapport à la normale » sur Terre est environ 10 fois plus grande que le rapport D/H élémentaire dans l’univers et par conséquent à la naissance du système solaire, dans ce qu’on appelle la nébuleuse solaire », expliquent les auteurs.

Les résultats de tous ces travaux montrent qu’entre 1% et 50% de l’eau de la Terre provenait de la phase initiale de la naissance du système solaire. C’est un large éventail, mais c’est quand même une connaissance importante.

Les auteurs résument les choses dans leur conclusion. « L’eau des comètes et des astéroïdes (d’où proviennent la grande majorité des météorites) a également été héritée depuis le début en grandes quantités. La Terre a probablement hérité son eau d’origine principalement des planétésimaux, qui sont censés être les précurseurs des astéroïdes et des planètes qui formé la Terre, plutôt que des comètes qui ont plu dessus. »

La livraison par les comètes est une autre hypothèse pour l’eau de la Terre. Dans cette hypothèse, l’eau gelée au-delà de la ligne de gel atteint la Terre lorsque les comètes sont perturbées et envoyées du nuage d’Oort gelé dans le système solaire interne. L’idée a du sens.

Mais cette étude montre que ce n’est peut-être pas vrai.

Il laisse cependant encore des questions sans réponse. Cela n’explique pas comment toute l’eau a atteint la Terre. Mais l’étude montre que la quantité d’eau lourde sur Terre est au moins le début pour comprendre cela.

« En conclusion, la quantité d’eau lourde sur Terre est notre fil d’Ariane, qui peut nous aider à sortir du labyrinthe de toutes les routes possibles que le système solaire a pu emprunter », expliquent-ils.

L’eau de la Terre a 4,5 milliards d’années, comme le dit le titre de l’article. Au moins une partie l’est. Selon les auteurs, les planétésimaux l’ont probablement livré sur Terre, mais on ne sait pas exactement comment cela se produit. Il y a beaucoup plus de complexité que les scientifiques doivent résoudre avant de pouvoir comprendre cela. « La question est assez compliquée car l’origine et l’évolution de l’eau de la Terre sont inévitablement liées à d’autres participants importants sur cette planète, par exemple le carbone, l’oxygène moléculaire et le champ magnétique », écrivent les auteurs.

Ces choses sont toutes liées à l’origine de la vie et à la formation des mondes. L’eau a probablement joué un rôle dans la formation des planétésimaux qui l’ont livrée sur Terre. L’eau a probablement joué un rôle dans la séquestration d’autres produits chimiques, y compris les éléments constitutifs de la vie, sur des corps rocheux qui les ont livrés à la Terre.

L’eau est au centre de tout cela, et en montrant qu’une partie de celle-ci remonte aux tout débuts du système solaire, les auteurs ont fourni un point de départ pour comprendre le reste.

« Ici, nous avons présenté une histoire ancienne simplifiée de l’eau de la Terre selon les observations et les théories les plus récentes », écrivent-ils. « Une bonne partie de l’eau terrestre s’est probablement formée au tout début de la naissance du système solaire lorsqu’il s’agissait d’un nuage froid de gaz et de poussière, gelé et conservé au cours des différentes étapes qui ont conduit à la formation des planètes, des astéroïdes et des comètes et a été finalement transmis à la Terre naissante. »

« La façon dont le passage final s’est produit est un autre chapitre fascinant », concluent-ils.