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L’azote des comètes permet d’en savoir plus sur l’origine du système solaire

par Edith Burgey -

Une équipe de chercheurs composée de membres de l’Institut UTINAM (CNRS/Université de Franche-Comté), du synchrotron SOLEIL, du laboratoire ISMO (CNRS/Université Paris-Sud) et de l’Université de Liège vient de publier la première détection du radical 15NH2 dans le gaz issu des comètes. Cette détection constituait un véritable challenge observationnel et permet maintenant de mieux connaître l’origine non seulement des comètes, mais également d’autres corps du système solaire. Les travaux sont parus le 16 décembre dans The Astrophysical Journal Letters.

Ce travail a débuté par une mesure des positions des raies du spectre de 15NH2 en laboratoire, sur la ligne AILES du synchrotron SOLEIL [1]. Une fois la longueur d’onde des raies connue avec précision il a été possible de les identifier à partir d’une collection unique de spectres à haute résolution obtenus avec le spectromètre UVES du Very Large Telescope de l’ESO [2] dans un total de 12 comètes de différents type, observées durant les années 2000. Pour obtenir un rapport signal / bruit suffisant il a été nécessaire d’additionner 39 spectres au total. Toutes ces analyses ont permis pour la première fois d’identifier sans ambiguïté plusieurs raies d’émission dues au 15NH2 et d’en déduire une première mesure du rapport 14N/15N dans l’ammoniac des comètes.

Les glaces des noyaux cométaires libère du gaz dans la coma qu’il est possible d’analyser en détail grâce à la spectroscopie. On voit ici deux des sept raies d’émission du radical 15NH2 qui viennent d’être identifiées, avec leur longueur d’onde. Crédits : ESO/P. Rousselot La mesure des rapports isotopiques constitue un moyen d’analyse puissant pour mieux comprendre l’origine des différents corps qui constituent le système solaire. En effet différents isotopes d’un même atome possèdent le même nombre de protons, donc le même nombre d’électrons et les mêmes propriétés chimiques. Ils conservent cependant la mémoire de leur origine car leur nombre ne change pas, sauf lors de réactions de fusions thermonucléaires qui ne se produisent qu’à des températures de plusieurs millions de degrés. Parmi les différents atomes utilisés par les astrophysiciens pour calculer des rapports isotopiques figure l’atome d’azote. Celui-ci possède habituellement 7 protons et 7 neutrons (14N) mais il existe un autre isotope stable qui possède un neutron supplémentaire : l’azote 15 (15N). Le rapport entre ces deux isotopes est typiquement de l’ordre de quelques centaines mais présente de grandes variations selon l’endroit où il est mesuré et les molécules considérées.



Les glaces des noyaux cométaires libèrent du gaz dans la coma qu’il est possible d’analyser en détail grâce à la spectroscopie. On voit ici deux des sept raies d’émission du radical 15NH2 qui viennent d’être identifiées, avec leur longueur d’onde. Crédits : ESO/P. Rousselot

Dans l’atmosphère terrestre, l’azote est un composant majoritaire car il forme des molécules de diazote (N2), qui compose 78 % de l’air que nous respirons. Les mesures du rapport 14N/15N effectuées à partir de ces molécules ont donné un rapport de 272. D’autres mesures, plus ou moins précises, ont cependant pu être effectuées ces dernières années dans différents corps du système solaire. Parmi celles-ci figurent celles effectuées dans l’atmosphère de Jupiter, qui donnent une valeur de 450 (mesure de la sonde Cassini avec les molécules d’ammoniac NH3), ainsi que des mesures in situ effectuées dans le vent solaire (rapport de 441). Ces deux dernières valeurs sont supposées représentatives de la nébuleuse dite protosolaire qui a mené à la formation du Soleil et des corps planétaires.

Les comètes, qui figurent parmi les objets les plus primitifs du système solaire, possèdent de l’azote principalement dans leur glace dans deux types de molécules : le cyanure d’hydrogène (HCN) et l’ammoniac (NH3). Jusqu’à présent la valeur du rapport 14N/15N avait seulement pu être mesuré dans le cyanure d’hydrogène. La valeur obtenue était de 150 et relativement constante quelle que soit le type de comète étudiée. La mesure du rapport 14N/15N dans l’ammoniac, était un élément manquant important car il pouvait être très différent de cette valeur, les molécules d’ammoniac pouvant avoir une origine différente.

La mesure de cette valeur représente cependant un vrai challenge observationnel. Même si les spectres d’émission observés dans le gaz qui entoure les comètes actives révèlent de nombreuses raies de NH2, le produit de dissociation de l’ammoniac, les raies observées jusqu’à présent appartenaient à celles du principal isotopologue (14NH2). Même si la présence de (très faibles) raies de 15NH2 était certaine leur identification nécessitait à la fois de nouvelles mesures de laboratoire (pour identifier leur position avec une grande précision) et des observations au sol de grande qualité.

Le résultat de ce travail a mené à la détection de 7 raies différentes de 15NH2 et permis pour la première fois d’estimer la valeur du rapport 14N/15N dans l’ammoniac cométaire. Cette valeur, malgré l’incertitude de la mesure, est clairement incompatible avec celle mesurée dans l’atmosphère terrestre ainsi que la valeur protosolaire. Elle apparaît semblable à celle mesurée dans le HCN et le CN et, surtout, avec le rapport déterminé dans le diazote de l’atmosphère de Titan, le principal satellite de Saturne.

L’interprétation précise de ce résultat dans le cadre de l’origine des comètes nécessitera d’autres travaux mais deux points intéressants semblent se dégager. D’une part il pourrait être un argument en faveur d’une origine commune de l’ammoniac des comètes et de celui qui aurait, vraisemblablement, été à l’origine du diazote contenu aujourd’hui dans l’atmosphère de Titan. Autrement dit les éléments constitutifs des comètes et de Titan pourraient avoir une origine commune. D’autre part, il confirmerait que l’azote primitif dans le système solaire aurait été contenu dans deux réservoirs distincts ayant deux rapports 14N/15N différents : un d’ammoniac (comètes, Titan, etc.) et un autre de N2 (qui aurait été transformé en ammoniac dans l’atmosphère de Jupiter).


Source(s) :

P. Rousselot et al., Toward a Unique Nitrogen Isotopic Ratio in Cometary Ices, Astrophysical Journal Letters, 12/2013

Contact(s) :

Philippe Rousselot, Institut UTINAM (CNRS-OSU Theta/Université de Franche-Comté)
philippe.rousselot chez obs-besancon.fr, 03 81 66 69 39


[1A la fois outil de travail au service de toutes les communautés scientifiques et laboratoire de recherche, SOLEIL contribue, chaque semaine, à l’avancement d’une trentaine de sujets de recherche fondamentale, appliquée ou industrielle. Les thématiques traitées sont la médecine, la biologie, l’environnement, les géosciences, l’énergie, les nanotechnologies, la chimie, les matériaux, etc. Plus d’infos sur la ligne AILES qui est à SOLEIL :
http://www.synchrotron-soleil.fr/portal/page/portal/Recherche/LignesLumiere/AILES

[2UVES est le spectrographe optique à haute résolution du VLT de l’ESO. Il s’agit d’un spectrographe conçu pour fonctionner avec un rendement élevé à partir de la ligne de coupure atmosphérique à 300 nm jusqu’à la limite des détecteurs CCD (environ 1 100 nm). En savoir plus (anglais) : http://www.eso.org/sci/facilities/paranal/instruments/uves/