Des chercheurs retracent le voyage du grain de poussière à travers le système solaire du nouveau-né –

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  • Une équipe de recherche dirigée par l’Université de l’Arizona a reconstitué avec des détails sans précédent l’histoire d’un grain de poussière qui s’est formé lors de la naissance du système solaire il y a plus de 4,5 milliards d’années. Les résultats donnent un aperçu des processus fondamentaux qui sous-tendent la formation des systèmes planétaires, dont beaucoup sont encore entourés de mystère.

    Pour l’étude, l’équipe a développé un nouveau type de cadre, qui combine la mécanique quantique et la thermodynamique, pour simuler les conditions auxquelles le grain a été exposé lors de sa formation, lorsque le système solaire était un disque tourbillonnant de gaz et de poussière connu sous le nom de protoplanétaire. disque ou nébuleuse solaire. La comparaison des prédictions du modèle à une analyse extrêmement détaillée de la composition chimique et de la structure cristalline de l’échantillon, ainsi qu’un modèle de la façon dont la matière a été transportée dans la nébuleuse solaire, a révélé des indices sur le voyage du grain et les conditions environnementales qui l’ont façonné en cours de route. .

    Le grain analysé dans l’étude est l’une des nombreuses inclusions, connues sous le nom d’inclusions riches en calcium-aluminium, ou CAI, découvertes dans un échantillon de la météorite Allende, qui est tombée sur l’État mexicain de Chihuahua en 1969. Les CAI sont d’un intérêt particulier car elles sont considérés comme les premiers solides qui se sont formés dans le système solaire il y a plus de 4,5 milliards d’années.

    Semblable à la façon dont les tampons d’un passeport racontent une histoire sur le voyage et les arrêts d’un voyageur en cours de route, les structures à l’échelle micro et atomique des échantillons déverrouillent un enregistrement de leurs histoires de formation, qui ont été contrôlées par les environnements collectifs auxquels ils ont été exposés. .

    “Pour autant que nous le sachions, notre article est le premier à raconter une histoire d’origine qui offre des indices sur les processus probables qui se sont produits à l’échelle des distances astronomiques avec ce que nous voyons dans notre échantillon à l’échelle des distances atomiques”, a déclaré Tom Zega. , professeur au Laboratoire lunaire et planétaire de l’Université de l’Arizona et premier auteur de l’article, publié en Le Journal des sciences planétaires.

    Zega et son équipe ont analysé la composition des inclusions incrustées dans la météorite à l’aide de microscopes électroniques à transmission à balayage à résolution atomique de pointe – l’un à l’installation d’imagerie et de caractérisation des matériaux Kuiper de l’Arizona, et son microscope frère situé à l’usine Hitachi à Hitachinaka, au Japon. .

    Les inclusions se sont avérées être principalement constituées de types de minéraux connus sous le nom de spinelle et de pérovskite, qui se trouvent également dans les roches sur Terre et sont à l’étude en tant que matériaux candidats pour des applications telles que la microélectronique et le photovoltaïque.

    Des types similaires de solides se produisent dans d’autres types de météorites connues sous le nom de chondrites carbonées, qui sont particulièrement intéressantes pour les planétologues car elles sont connues pour être des restes de la formation du système solaire et contiennent des molécules organiques, y compris celles qui ont pu fournir les matières premières pour la vie.

    L’analyse précise de la disposition spatiale des atomes a permis à l’équipe d’étudier en détail la composition des structures cristallines sous-jacentes. À la surprise de l’équipe, certains des résultats étaient en contradiction avec les théories actuelles sur les processus physiques considérés comme actifs à l’intérieur des disques protoplanétaires, les incitant à creuser plus profondément.

    “Notre défi est que nous ne savons pas quelles voies chimiques ont conduit à l’origine de ces inclusions”, a déclaré Zega. “La nature est notre bécher de laboratoire, et cette expérience a eu lieu des milliards d’années avant notre existence, dans un environnement complètement étranger.”

    Zega a déclaré que l’équipe avait entrepris de “rétro-ingénierie” la composition des échantillons extraterrestres en concevant de nouveaux modèles qui simulaient des processus chimiques complexes, auxquels les échantillons seraient soumis à l’intérieur d’un disque protoplanétaire.

    “De tels modèles nécessitent une convergence intime d’expertise couvrant les domaines de la science planétaire, de la science des matériaux, de la science minérale et de la microscopie, ce que nous avons entrepris de faire”, a ajouté Krishna Muralidharan, co-auteur de l’étude et professeur agrégé à l’Université de l’Arizona. Département de science et génie des matériaux.

    Sur la base des données que les auteurs ont pu extraire de leurs échantillons, ils ont conclu que la particule s’était formée dans une région du disque protoplanétaire non loin de l’endroit où se trouve actuellement la Terre, puis a fait un voyage plus près du soleil, où il faisait progressivement plus chaud, seulement pour inverser le cours plus tard et se laver dans des régions plus fraîches plus éloignées du jeune soleil. Finalement, il a été incorporé dans un astéroïde, qui s’est ensuite brisé en morceaux. Certaines de ces pièces ont été capturées par la gravité terrestre et sont tombées sous forme de météorites.

    Les échantillons pour cette étude ont été prélevés à l’intérieur d’une météorite et sont considérés comme primitifs – en d’autres termes, non affectés par les influences environnementales. On pense que ce matériau primitif n’a subi aucun changement significatif depuis sa formation il y a plus de 4,5 milliards d’années, ce qui est rare. Il reste à voir si des objets similaires se produisent dans l’astéroïde Bennu, dont des échantillons seront renvoyés sur Terre par la mission OSIRIS-REx dirigée par l’UArizona en 2023. Jusque-là, les scientifiques s’appuient sur des échantillons qui tombent sur Terre via des météorites.

    “Ce matériau est notre seul enregistrement de ce qui s’est passé il y a 4,567 milliards d’années dans la nébuleuse solaire”, a déclaré Venkat Manga, co-auteur de l’article et professeur adjoint de recherche au département de science et d’ingénierie des matériaux de l’Arizona. “Être capable de regarder la microstructure de notre échantillon à différentes échelles, jusqu’à la longueur des atomes individuels, c’est comme ouvrir un livre.”

    Les auteurs ont déclaré que des études comme celle-ci pourraient rapprocher les scientifiques planétaires d’un “grand modèle de formation des planètes” – une compréhension détaillée de la matière se déplaçant autour du disque, de quoi elle est composée et comment elle donne le soleil et les planètes.

    De puissants radiotélescopes comme l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, ou ALMA, au Chili, permettent désormais aux astronomes de voir les systèmes stellaires à mesure qu’ils évoluent, a déclaré Zega.

    “Peut-être qu’à un moment donné, nous pourrons examiner des disques en évolution, puis nous pourrons vraiment comparer nos données entre les disciplines et commencer à répondre à certaines de ces très grandes questions”, a déclaré Zega. “Ces particules de poussière se forment-elles là où nous pensons qu’elles se sont formées dans notre propre système solaire ? Sont-elles communes à tous les systèmes stellaires ? Devrions-nous nous attendre au schéma que nous voyons dans notre système solaire – des planètes rocheuses proches de l’étoile centrale et des géantes gazeuses plus loin — dans tous les systèmes ?

    “C’est une période vraiment intéressante pour être un scientifique alors que ces domaines évoluent si rapidement”, a-t-il ajouté. “Et c’est génial d’être dans une institution où les chercheurs peuvent former des collaborations transdisciplinaires entre les principaux départements d’astronomie, de planète et de science des matériaux de la même université.”

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