La Terre s’est formée à partir de matériaux locaux

Peter Rüegg

Les planétologues ont longtemps débattu de l’origine du matériau qui a formé notre Terre. Bien que située dans le Système solaire interne, ils estimaient probable que 6 à 40 % de ce matériau devait provenir du Système solaire externe, c’est-à-dire au-delà de Jupiter. 

Pendant longtemps, on a considéré que le matériau du Système solaire externe était nécessaire pour apporter à la Terre des composés volatils comme l’eau. En conséquence, il aurait dû y avoir un échange de matériaux entre les systèmes solaires externe et interne durant la formation de la Terre. Mais est-ce vraiment le cas ? 

« Nous avons été vraiment étonnés » 

Les planétologues Paolo Sossi et Dan Bower, de l’ETH Zurich, ont comparé les données existantes sur les rapports isotopiques d’un large éventail de météorites, y compris celles de Mars et de l’astéroïde Vesta, avec celles de la Terre. Les isotopes sont des atomes frères du même élément (même nombre de protons) qui ont une masse différente (nombre différent de neutrons).

Les chercheurs ont analysé ces données d’une nouvelle manière et sont arrivés à une conclusion surprenante : le matériau qui compose la Terre provient entièrement de la région interne du Système solaire. 

Le matériau du Système solaire externe, en revanche, représenterait probablement moins de deux pour cent de la masse terrestre, voire rien du tout. L’étude correspondante vient d’être publiée dans la revue Nature Astronomy. 

« Nos calculs montrent clairement : le matériau de construction de la Terre provient d’un seul et même réservoir de matériau », explique Sossi. Son collègue Bower ajoute : « Nous avons été vraiment étonnés de constater que la Terre est composée entièrement de matériaux du Système solaire interne, distincts de toute combinaison de météorites existantes. » 

Pour leur étude, les chercheurs de l’ETH ont utilisé des données existantes sur dix systèmes isotopiques différents provenant de météorites, et les ont analysées à l’aide d’une méthode statistique spécialisée. Les études précédentes n’avaient pour la plupart considéré que deux systèmes isotopiques. 

« Nos études sont en réalité des expériences de science des données », affirme Sossi. « Nous avons effectué des calculs statistiques rarement utilisés en géochimie, bien qu’ils constituent un outil puissant. » 

La signature isotopique révèle l’origine 

Les isotopes dans les météorites sont utilisés depuis longtemps par les chercheurs pour déterminer l’origine des corps célestes, c’est-à-dire de quelle partie du Système solaire ils proviennent. Historiquement, cependant, seuls les différents isotopes de l’élément oxygène pouvaient être utilisés pour déterminer leur provenance. 

Ce n’est qu’au début des années 2010 qu’un chercheur américain a découvert que d’autres isotopes, comme ceux du chrome et du titane, pouvaient également être utilisés à cette fin. Cela a permis aux chercheurs de classer les météorites en deux catégories : les non carbonées, qui se forment exclusivement dans le Système solaire interne, et les carbonées, qui contiennent plus d’eau et de carbone et proviennent du Système solaire externe. 

La nouvelle analyse révèle que la Terre est composée entièrement de matériau non carboné. Aucune preuve de l’échange suspecté précédemment entre les réservoirs des systèmes solaires externe et interne n’a été trouvée. 

Par conséquent, la Terre a grandi au sein d’un système relativement statique, incorporant ses petites planètes voisines au fur et à mesure de sa croissance. Cela implique également que la plupart des éléments volatils, comme l’eau, devaient déjà être présents dans le Système solaire interne. 

Jupiter agit comme une barrière matérielle 

Mais pourquoi existe-t-il deux réservoirs de matériaux distincts dans notre Système solaire ? Les chercheurs supposent que notre Système solaire s’est scindé en deux réservoirs lors de sa formation en raison de la croissance rapide et de la taille de Jupiter. La gravité de la géante gazeuse a créé un vide dans le disque protoplanétaire en orbite autour du jeune Soleil. Ces disques sont en forme d’anneau et composés de gaz et de poussière ; ils sont le berceau des planètes. Jupiter a empêché le matériau du Système solaire externe de pénétrer dans la région interne. Cependant, la mesure dans laquelle cette barrière était perméable restait jusqu’à présent incertaine. 

Dans leur nouvelle analyse, les deux chercheurs de l’ETH démontrent que presque aucun matériau d’au-delà de Jupiter n’a afflué vers la Terre. « Nos calculs sont très robustes et reposent uniquement sur les données elles-mêmes, et non sur des hypothèses physiques, car celles-ci ne sont pas encore pleinement comprises », souligne Bower. L’analyse montre également que la composition matérielle de la Terre est similaire à celle de Vesta et de Mars.  

Les chercheurs soupçonnent également que Vénus et Mercure se situent sur la même ligne. « Sur la base de notre analyse, nous pouvons théoriquement prédire la composition de ces deux planètes », explique Paolo Sossi. Cependant, il ne peut pas le vérifier analytiquement, car aucun échantillon de roche de Mercure et Vénus, les deux planètes les plus proches du Soleil, n’est actuellement disponible pour les chercheurs. 

Nouvel éclairage sur l’histoire de la formation 

« Nos résultats apportent un nouvel éclairage sur l’histoire de la formation de notre Terre et des autres planètes rocheuses », déclare Sossi. 

Sossi et son équipe ont l’intention de poursuivre en cherchant à comprendre pourquoi il y avait suffisamment d’eau dans le Système solaire interne, chaud, pour former les océans terrestres. De plus, ils examineront si ces processus peuvent être appliqués aux systèmes exoplanétaires.

« D’ici là, cependant, Dan et moi devrons engager de nombreux débats animés sur la composition matérielle de la Terre et de ses planètes voisines, car le discours scientifique sur les éléments constitutifs de la Terre est loin d’être terminé, malgré les nouvelles découvertes », conclut Sossi.

Article : Homogeneous accretion of the Earth in the inner Solar System – Journal : Nature Astronomy – DOI : Lien vers l’étude

Source : ETHZ