Les isotopes du krypton donnent de nouveaux indices sur le passé des planètes

Pour accueillir la vie, notre planète avait besoin de quelques ingrédients essentiels : du carbone, de l’azote et de l’eau. Les informations sur l’origine et la provenance de ces importantes unités chimiques ne sont pas si claires. Pour chercher des indices, les scientifiques recherchent des gaz nobles comme marqueurs, en particulier le néon, l’argon, le krypton et le xénon.

Des techniques expérimentales avancées ont désormais facilité la décomposition des isotopes de krypton peu utilisés dans le gaz piégé dans les roches, ce qui peut fournir de nouveaux indices sur le passé de la Terre et d’autres planètes.

Le passé caché des planètes

Il y a des milliards d’années, un nuage rotatif de poussière et de gaz a commencé à former notre système solaire. De cet ouragan cosmique sont nés le Soleil et les planètes.

Cette coupe montre des bulles de gaz dans les basaltes dans une image de microtomographie aux rayons X. Crédit : Sandrine Péron

La façon exacte dont les planètes rocheuses (y compris la Terre) se sont formées est toujours en discussion. Selon un scénario, les blocs de construction de la planète, appelés planétésimaux, ont attrapé près d’eux des roches qui contenaient également du carbone, de l’azote, de l’eau et des gaz précieux – des choses que les scientifiques planétaires appellent volatiles. Dans le deuxième scénario, les planètes se sont développées principalement à partir de planétsimaux qui sont entrés en collision les uns avec les autres, les forces des collisions ont fait fondre la roche et éjecté des substances volatiles, qui ont ensuite été reconstituées. Ou les planètes auraient pu augmenter leur circonférence grâce à une combinaison de ces deux modèles. Les scientifiques planétaires conviennent généralement qu’il y a environ 4,5 milliards d’années, il y a eu une collision majeure et finale avec la Terre primitive qui a formé la Lune.

Pour étudier le passé de la Terre, les scientifiques étudient des échantillons du manteau qui contiennent des gaz nobles, dont certains ont été délivrés lors de la formation de la Terre. Ces échantillons comprennent des basaltes provenant des dorsales océaniques et des éruptions sous-marines. Lorsque la lave se refroidit pour former ces roches, elle emprisonne les gaz dans le manteau.

Contrairement à la vie, les gaz nobles sont des éléments fermés qui ne repoussent pas les processus biologiques et les réactions chimiques sur Terre. Les scientifiques peuvent examiner les relations de certains isotopes de gaz rares qui ont survécu depuis leur livraison en se référant à des sources de substances volatiles telles que les comètes, les météores, le soleil et le vent.

Le nom krypton signifie mystère. “Donc, c’est en quelque sorte caché … c’était difficile à dire.”

Les scientifiques le font depuis des décennies. Mais “le krypton a été l’un des gaz nobles les moins utilisés”, a déclaré Michael Broadley, géochimiste des isotopes à l’Université de Lorraine en France, qui n’a pas participé à la nouvelle étude. “Très peu a été fait avec le krypton pour déterminer l’origine des substances volatiles.”

Les isotopes du krypton, qui sont quelque peu difficiles à surveiller, sont présents en petites quantités et sont difficiles à séparer des autres gaz nobles. Le nom krypton signifie cryptique, a déclaré Sandrine Péron, géochimiste à Zurich, en Suisse. “Donc, c’est en quelque sorte caché … c’était difficile à dire.”

Roches éclatantes

Péron, alors à l’Université de Californie, Davis, et ses collègues ont proposé de nouvelles méthodes pour améliorer l’analyse de petites quantités d’échantillons de krypton.

Si vous regardez une roche avec un peu de gaz à l’intérieur du manteau, la pollution de l’air est un gros problème “, a déclaré Greg Holland, géochimiste à l’Université de Manchester au Royaume-Uni qui ne faisait pas partie des nouveaux travaux. Les gaz nobles de l’atmosphère peuvent éclipser les signaux subtils des gaz intermédiaires.

Pour prévenir la pollution de l’air, l’équipe de Péron a progressivement brisé des rochers sous les glaciers islandais et l’océan Galápagos. Lorsque les chercheurs ont ouvert les bulles dans les basaltes, ils ont vérifié la contamination atmosphérique, facilement identifiable par la signature de l’isotope du néon. Lorsque les gaz à bulles semblaient contaminés, ils éliminaient le gaz. En retenant le gaz lorsque la composition isotopique du néon était proche de celle du manteau, les chercheurs ont enrichi le krypton obtenu à partir du manteau de l’échantillon avant analyse. De plus, en divisant le processus de séparation des gaz rares en deux étapes, l’équipe a augmenté sa capacité à séparer les isotopes du krypton des autres gaz rares.

La nouvelle étude a donné le meilleur aperçu de la composition de la ceinture profonde à ce jour.

La capacité de mesurer avec précision les isotopes du krypton est vraiment utile, a déclaré Guillaume Avice, planétologue à l’Institut de Physique du Globe de Paris en France, qui n’a pas participé à la nouvelle étude. “C’est un nouvel outil que vous pouvez utiliser pour créer cette histoire sur l’origine de la Terre”, a-t-il déclaré.

L’une des raisons pour lesquelles l’analyse isotopique du krypton est utile est que les signatures isotopiques de différentes sources sont faciles à distinguer les unes des autres. Péron et ses collègues ont vu que les signatures de krypton de ces échantillons de manteau coïncidaient pour la plupart avec celles de certaines météorites que l’on pensait être sur la proto-Terre lors de la collision de la formation de la Lune. Et parce que l’identité isotopique du krypton du manteau ne correspond pas à celle de l’atmosphère, une autre source a dû apporter de la matière volatile de la Terre, ont déclaré les auteurs l’année dernière. Nature.

Avec cette combinaison de techniques, Péron et ses collègues ont obtenu le meilleur aperçu de la composition de la ceinture profonde jusqu’à présent, a déclaré Broadley. L’étude a également “ouvert de nombreuses questions, notamment sur la relation entre la Terre et les météorites”. Comme l’isotope de krypton le plus lourd ne correspondait pas à la source de la météorite, une autre source pourrait être nécessaire pour l’élucider, ont déclaré les auteurs. La réanalyse d’anciennes météorites avec de nouvelles méthodes pourrait aider à clarifier l’écart, a déclaré Avice, tout comme l’échantillonnage de plus de météorites.

Plus loin du sol

Péron et ses collègues analysent actuellement les isotopes du krypton dans les météorites de Mars, ce qui pourrait donner une idée de l’origine des substances volatiles de Mars et pourquoi la Terre et Mars sont si différentes aujourd’hui.

Vénus présente une autre énigme. Broadley a déclaré que la Terre et Vénus étaient de taille et de proximité similaires aux jumelles. Cependant, les scientifiques ne savent pas comment leur chemin vers la planète et pour obtenir des substances volatiles est comparable. La mission DAVINCI + de la NASA est conçue pour surveiller les gaz précieux de Vénus. Il a dit que comprendre les gaz rares dans l’atmosphère de Vénus et les comparer à la Terre nous donnerait une image vraiment complète de la raison pour laquelle la Terre est devenue habitable.

Selon Péron, nous pouvons en apprendre davantage sur l’évolution de la Terre et du système solaire grâce à de si petites quantités d’isotopes du krypton.

-Caroline Wilke (@CarolynMWilke), chercheur

Devis: Wilke, C. (2022), les isotopes du krypton fournissent de nouveaux indices sur le passé des planètes, Éos, 103, https://doi.org/10.1029/2022EO220226. Publié le 4 mai 2022
Texte © 2022. Auteurs. CC BY-NC-ND 3.0
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