Une nouvelle théorie explique comment la Terre primitive est devenue si humide

Posted on 3 mars 2025 by Admin in Archéologie, Divers // 0 Comments

Lorsque la Terre s’est formée, elle était trop chaude pour retenir la glace. Cela signifie que toute l’eau présente sur notre planète doit provenir de sources extraterrestres.

Des études menées sur d’anciennes roches terrestres suggèrent que de l’eau liquide existait sur Terre dès 100 millions d’années après la formation du Soleil, c’est-à-dire pratiquement « immédiatement » sur une échelle de temps astrophysique.

Cette eau, aujourd’hui âgée de plus de 4,5 milliards d’années, a été perpétuellement renouvelée par le cycle de l’eau sur Terre. Mon équipe de recherche a récemment proposé une nouvelle théorie pour expliquer comment l’eau est arrivée sur Terre.

Un mystère vieux de plusieurs milliards d’années
Depuis des décennies, les astrophysiciens s’interrogent sur la manière dont l’eau est arrivée sur notre jeune planète. L’une des premières hypothèses suggérait que l’eau de la Terre était un sous-produit direct de la formation de la planète, libéré par le magma lors des éruptions volcaniques, dans lesquelles la plupart des gaz émis sont de la vapeur d’eau.

Cependant, cette hypothèse a évolué dans les années 1990 à la suite de l’analyse de la composition de l’eau de la Terre et de la découverte du rôle potentiel des comètes glacées, ce qui indique une origine extraterrestre.

Les comètes, qui sont des mélanges de glace et de roche formés dans les confins du système solaire, sont parfois éjectées vers le Soleil. Lorsqu’elles sont réchauffées par le Soleil, elles développent des queues de poussières et de gaz visibles depuis la Terre. Les astéroïdes, situés dans la ceinture d’astéroïdes entre Mars et Jupiter, ont également été proposés comme progéniteurs potentiels de l’eau de la Terre.

L’étude des roches cométaires et astéroïdes par le biais des météorites – petits fragments de ces corps tombés sur Terre – a fourni des informations essentielles.

En analysant le rapport D/H – la proportion d’hydrogène lourd (deutérium) par rapport à l’hydrogène standard – les scientifiques ont découvert que l’eau de la Terre correspondait davantage à celle des astéroïdes « carbonés », qui portent des traces d’eau passée. Les recherches se sont donc orientées vers ces astéroïdes.

La ceinture d’astéroïdes se situe entre Mars et Jupiter, tandis que la ceinture de Kuiper s’étend au-delà de Neptune. (Pline/Wikipedia, CC BY)

Des études récentes se sont concentrées sur l’identification des mécanismes célestes qui auraient pu amener ces astéroïdes riches en eau à la surface sèche de la Terre primitive. De nombreuses théories ont vu le jour pour expliquer la « perturbation » des planétésimaux – de grands corps glacés situés dans les ceintures d’astéroïdes et de Kuiper.

Ces scénarios proposent des interactions gravitationnelles qui ont délogé ces objets et les ont précipités vers la Terre. De tels événements auraient nécessité un processus complexe de « billard gravitationnel », suggérant une histoire tumultueuse du système solaire.

S’il est évident que la formation des planètes a impliqué des bouleversements et des impacts importants, il est possible que la distribution de l’eau sur Terre se soit faite de manière plus naturelle et moins dramatique.

Une hypothèse plus simple
Je suis parti de l’hypothèse que les astéroïdes émergent glacés de leur cocon de formation, également connu sous le nom de disque protoplanétaire. Ce cocon est un disque massif, riche en hydrogène et rempli de poussière, où se forment les planètes et les ceintures initiales. Il enveloppe l’ensemble du système planétaire naissant.

Une fois ce cocon protecteur dissipé – après quelques millions d’années – les astéroïdes se réchauffent, provoquant la fonte de leur glace ou, plus précisément, leur sublimation. Dans l’espace, où la pression est quasi nulle, l’eau reste à l’état de vapeur après ce processus.

Un disque de vapeur d’eau est alors superposé à la ceinture d’astéroïdes en orbite autour du Soleil. Au fur et à mesure que la glace se sublime, le disque se remplit de vapeur, qui se propage vers l’intérieur en direction du Soleil grâce à des processus dynamiques complexes. En chemin, ce disque de vapeur rencontre les planètes internes, les immergeant dans une sorte de « bain ».

D’une certaine manière, le disque « arrose » les planètes terrestres : Mars, Terre, Vénus et Mercure. La majeure partie de cette capture d’eau s’est produite 20 à 30 millions d’années après la formation du Soleil, au cours d’une période où la luminosité du Soleil a augmenté de façon spectaculaire sur une brève période, augmentant le taux de dégazage des astéroïdes.

Illustration étape par étape d’un nouveau modèle de distribution de l’eau sur les planètes internes du système solaire, dont la Terre. Cinq millions d’années après la naissance du Soleil, les astéroïdes de la ceinture principale libèrent de la vapeur d’eau grâce à l’énergie solaire. Cette vapeur se répand progressivement dans le système solaire interne et finit par envelopper les planètes, qui en capturent une partie pour former des océans entre 10 et 100 millions d’années plus tard. (Sylvain Cnudde/Observatoire de Paris – PSL/LESIA, Fourni par l’auteur)

Une fois que l’eau est capturée par l’attraction gravitationnelle d’une planète, de nombreux processus peuvent se produire.

Sur Terre, cependant, un mécanisme de protection garantit que la masse totale d’eau est restée relativement constante depuis la fin de la période de capture jusqu’à aujourd’hui. Si l’eau s’élève trop haut dans l’atmosphère, elle se condense en nuages, qui finissent par revenir à la surface sous forme de pluie – un processus connu sous le nom de cycle de l’eau.

Les quantités d’eau présentes sur Terre, tant dans le passé que dans le présent, sont bien documentées. Notre modèle, qui commence par le dégazage de la glace provenant de la ceinture d’astéroïdes d’origine, rend compte avec succès de la quantité d’eau nécessaire à la formation des océans, des rivières et des lacs, et même de l’eau enfouie dans les profondeurs du manteau terrestre.

Les mesures précises du rapport D/H de l’eau dans les océans sont également conformes à notre modèle. De plus, le modèle explique les quantités d’eau présentes dans le passé sur d’autres planètes, et même sur la Lune.

Vous vous demandez peut-être comment j’en suis arrivé à cette nouvelle théorie. Elle découle d’observations récentes, notamment celles réalisées avec ALMA, un réseau de radiotélescopes de plus de 60 antennes situé au Chili, sur un plateau à cinq kilomètres au-dessus du niveau de la mer.

Les observations de systèmes extrasolaires ayant des ceintures similaires à la ceinture de Kuiper révèlent que les planétésimaux de ces ceintures subliment le monoxyde de carbone (CO). Pour les ceintures plus proches de leur étoile, comme la ceinture d’astéroïdes, le CO est trop volatil pour être présent, et l’eau est plus susceptible d’être libérée.

La construction du modèle
C’est à partir de ces résultats que l’idée initiale de la théorie a commencé à prendre forme. De plus, les données récentes des missions Hayabusa 2 et OSIRIS-REx, qui ont exploré des astéroïdes similaires à ceux qui auraient pu contribuer à la formation du disque de vapeur d’eau initial, ont apporté une confirmation essentielle.

Ces missions, ainsi que les observations de longue date des télescopes terrestres, ont révélé des quantités substantielles de minéraux hydratés sur ces astéroïdes – des minéraux qui ne peuvent se former qu’au contact de l’eau. Cela confirme l’hypothèse selon laquelle ces astéroïdes étaient initialement glacés, même si la plupart d’entre eux ont perdu leur glace depuis (à l’exception des corps les plus gros comme Cérès).

La base du modèle étant posée, l’étape suivante consistait à développer une simulation numérique pour suivre le dégazage de la glace, la dispersion de la vapeur d’eau et son éventuelle capture par les planètes.

Au cours de ces simulations, il est rapidement apparu que le modèle pouvait rendre compte de l’approvisionnement en eau de la Terre. Des recherches supplémentaires sur les quantités d’eau passées de Mars et d’autres planètes terrestres ont confirmé que le modèle pouvait également s’appliquer à ces dernières. Tout concordait et les résultats étaient prêts à être publiés !

En tant que chercheurs, il ne suffit pas de concevoir un modèle qui fonctionne et semble tout expliquer. La théorie doit être testée à plus grande échelle. S’il est désormais impossible de détecter le disque de vapeur d’eau initial qui a « arrosé » les planètes terrestres, nous pouvons nous tourner vers les systèmes extrasolaires dotés de jeunes ceintures d’astéroïdes pour voir si de tels disques de vapeur d’eau existent.

D’après nos calculs, ces disques, bien que faibles, devraient être détectables avec ALMA. Notre équipe vient d’obtenir du temps sur l’ALMA pour étudier des systèmes spécifiques à la recherche de preuves de l’existence de ces disques.

Nous sommes peut-être à l’aube d’une nouvelle ère dans la compréhension des origines de l’eau sur Terre.

Quentin Kral, Astrophysicien à l’observatoire de Paris-PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université Paris Cité