Si les modèles théoriques consensuels de la formation de la Lune impliquent un impact entre la Terre et un corps de taille planétaire, les conséquences du transfert de matière entre les deux objets ont été peu explorées. Des chercheurs suggèrent que cette collision aurait apporté à la Terre les éléments volatiles nécessaires à l’émergence de la vie.
La Terre a probablement reçu l’essentiel de son carbone, de son azote et d’autres éléments volatils essentiels à la vie, à la suite de la collision planétaire qui a créé la Lune il y a plus de 4.4 milliards d’années, selon une nouvelle étude réalisée par les pétrologistes de l’Université Rice, parue dans la revue Science Advances.
« D’après l’étude des météorites primitives, les scientifiques savent depuis longtemps que la Terre et d’autres planètes rocheuses du Système solaire interne sont appauvries en volatiles » déclare Rajdeep Dasgupta, co-auteur de l’étude. « Mais l’époque et le mécanisme d’apport de ces éléments ont fait l’objet de vives discussions. Notre premier scénario peut déterminer l’époque et l’apport d’une manière compatible avec toutes les preuves géochimiques ».
Les preuves ont été compilées à partir d’une combinaison d’expériences à haute température et haute pression menées dans le laboratoire de Dasgupta, spécialisé dans l’étude de réactions géochimiques se produisant au plus profond d’une planète, sous une chaleur et une pression intenses.
Dans une série d’expériences, l’auteur principal de l’étude, Damanveer Grewal, a rassemblé des preuves pour mettre à l’essai une théorie de longue date selon laquelle les substances volatiles de la Terre seraient issues d’une collision avec une planète embryonnaire dotée d’un noyau riche en soufre.
La teneur en soufre du noyau de la planète donneuse est considérée comme importante en raison de la panoplie de preuves expérimentales concernant le carbone, l’azote et le soufre existant dans toutes les régions de la Terre, à l’exception du noyau.
« Le noyau n’interagit pas avec le reste de la Terre, mais tout ce qui se trouve au-dessus, le manteau, la croûte terrestre, l’hydrosphère et l’atmosphère, sont tous reliés » explique Grewal.
Une idée de longue date sur la façon dont la Terre a reçu ces éléments était la théorie du « vernis tardif », selon laquelle des météorites riches en volatiles, des fragments de matière primordiale laissés par le Système solaire extérieur, sont arrivées après la formation du noyau de la Terre. Et tandis que les signatures isotopiques des substances volatiles de la Terre correspondent à ces objets primordiaux, appelés chondrites carbonées, le rapport élémentaire carbone/azote est invalidé.
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Les matériaux non essentiels de la Terre, que les géologues appellent la masse de silicate en vrac, contiennent environ 40 parties de carbone pour chaque partie d’azote, soit environ le double du rapport 20-1 des chondrites carbonées.
Les expériences de Grewal, qui simulaient les pressions et les températures élevées au cours de la formation du noyau, ont testé l’idée qu’un noyau planétaire riche en soufre pourrait exclure le carbone ou l’azote, ou les deux, en laissant des fractions beaucoup plus grandes de ces éléments dans le silicate en vrac, par rapport à la Terre.
Dans le cadre d’une série d’essais dans une certaine gamme de températures et de pressions, Grewal a examiné la quantité de carbone et d’azote absorbée dans le noyau, selon trois scénarios : pas de soufre, 10% de soufre et 25% de soufre. « L’azote n’était en grande partie pas affecté » explique-t-il. « Il est resté soluble dans les alliages par rapport aux silicates et n’a commencé à être exclu du noyau que sous la concentration de soufre la plus élevée ».
Le carbone, en revanche, était considérablement moins soluble dans les alliages à concentration de soufre intermédiaire, et les alliages riches en soufre absorbaient environ 10 fois moins de carbone en poids que les alliages sans soufre. En utilisant ces informations, ainsi que les ratios et les concentrations d’éléments connus sur la Terre et dans des corps non terrestres, Dasgupta, Grewal et Chenguang Sun ont conçu une simulation sur ordinateur pour déterminer le scénario le plus susceptible de générer des volatiles de la Terre.
Pour trouver la solution, il a fallu faire varier les conditions de départ, exécuter environ 1 milliard de scénarios et les comparer aux conditions connues du système solaire. « Ce que nous avons découvert, c’est que toutes les preuves — signatures isotopiques, rapport carbone-azote et les quantités globales de carbone, d’azote et de soufre dans la terre de silicate en vrac — concordent avec l’impact de la formation de la Lune impliquant une planète de la taille de Mars avec un noyau riche en soufre » déclare Grewal.
« Cette étude suggère qu’une planète rocheuse ressemblant à la Terre aura plus de chances d’acquérir des éléments essentiels à la vie si elle se forme et grandit à la suite d’impacts géants avec des planètes ayant échantillonné différents blocs de construction, peut-être à partir de différentes parties d’un disque protoplanétaire » indique Dasgupta.
« Cela supprime certaines conditions aux limites et montre que des substances volatiles essentielles à la vie peuvent arriver aux couches superficielles d’une planète, même si elles ont été produites sur des corps planétaires ayant subi une formation de noyaux dans des conditions très différentes ».
Dasgupta a déclaré qu’il ne semblait pas que le silicate en vrac de la Terre puisse, à lui seul, atteindre les bilans volatils essentiels à la vie qui ont produit notre biosphère, notre atmosphère et hydrosphère. « Cela signifie que nous pouvons élargir notre recherche de voies menant à la réunion d’éléments volatils sur une planète afin de soutenir la vie telle que nous la connaissons » conclut-il.