Déterminer la température de formation des glaces de la comète Tchouri grâce à la modélisation moléculaire

En interprétant les mesures d’abondance relative de diazote et de monoxyde de carbone réalisées par la sonde Rosetta dans l’environnement de la comète 67P/Tchourioumov-Guérassimenko, des physiciens ont déterminé que les glaces de cette comète se seraient formées au sein de la nébuleuse protosolaire
à une température comprise entre -241°C et -203°C. Des modélisations moléculaires précises ont montré que la surabondance de monoxyde carbone (CO) observée peut être expliquée par l’agglomération de clathrates par la comète au moment de sa formation. Ces cages de glace ont alors capturé les molécules volatiles présentes dans la nébuleuse tout en modifiant leurs abondances relatives au moment du piégeage.

Les mesures récentes effectuées par la sonde cométaire Rosetta de l’ESA sur la composition chimique de l’environnement gazeux de la comète 67P/ Tchourioumov-Guérassimenko, appelée communément Tchoury, ont montré que le rapport entre l’abondance de diazote N2 et de monoxyde de carbone
CO est 25 fois plus faible que ce qu’il était dans la nébuleuse protosolaire lors de la formation de cette comète. À l’aide de modélisations numériques, une équipe de recherche fortement interdisciplinaire, conduite par des chercheurs issus du Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne - ICB (CNRS/Univ.
Bourgogne Franche-Comté), du Laboratoire d’Astrophysique de Marseille - LAM (CNRS/AMU), de l’Institut UTINAM (CNRS/Univ. Bourgogne Franche-Comté) et de l’Institut de Physique de Berne, vient de montrer que l’on peut interpréter cette surabondance du monoxyde de carbone par rapport au diazote si l’on fait l’hypothèse que ces molécules ont été piégées par de la glace sous forme de clathrates, une structure particulière comportant de nombreuses cages de taille moléculaire. En modélisant numériquement la probabilité de piégeage de ces deux molécules dans les clathrates, ils ont montré que cette forme de glace capture bien plus efficacement le monoxyde de carbone que le diazote alors que leurs tailles et masses moléculaires sont comparables. En analysant l’efficacité de ce piégeage en fonction de la température les chercheurs ont déterminé que la comète n’a pu se former que dans une plage de températures très basses, comprises entre 32 et 70 K, ce qui fournit des indices précieux sur les premiers stades de formation de notre système solaire. Ce travail est publié dans la revue The Astrophysical Journal Letters.

Pour ce travail des chercheurs ont utilisé le cadre théorique de la physique statistique pour déterminer la probabilité de piégeage du diazote et du monoxyde de carbone dans la structure du clathrate en fonction de leurs interactions avec les molécules d’eau. Ces résultats ont été obtenus à l’aide de simulations numériques de type Monte-Carlo qui permettent de déterminer, pour les mélanges, la composition de phases denses en équilibre avec un gaz dont le potentiel chimique est connu. Les résultats de ces simulations leur ont montré que le taux de piégeage de N2 par rapport à CO diminue fortement avec la diminution de la température suivant une loi de Van’t Hoff, ce qui permet d’extrapoler la composition des clathrates en dessous de 52 K. Munis de ces résultats, et en se basant sur l’abondance relative de CO et N2 dans la nébuleuse protosolaire, les chercheurs ont déterminé les compositions des clathrates en CO et N2 à différentes pressions (5.2 10-5 à 290 Pa) et températures (de 52 K à 100 K) du gaz. Dans ce modèle, la composition relative moyenne observée par Rosetta (0,57 %) correspond alors une température de 45 K soit -228 °C.

Avec la découverte de l’azote moléculaire dans la comète Tchoury par la sonde ROSINA et la détermination, par simulations numériques, de la température de formation de cette comète c’est une pièce du puzzle concernant le rôle joué par les comètes de la famille de Jupiter dans l’évolution du système solaire qui vient d’être posée. Toutefois le puzzle est loin d’être achevé. Tchoury se rapproche du Soleil et le dégazage de la comète va augmenter fortement, ce qui devrait permettre la mesure de certains gaz à l’état de traces tels que les gaz rares et donner des contraintes supplémentaires sur la composition du mélange gazeux à l’origine des atmosphères des planètes internes.

En savoir plus

A ~32–70 k Formation Temperature Range for the Ice Grains Agglomerated by Comet
67 P/Churyumov–Gerasimenko, S. Lectez1, J.-M. Simon1, O. Mousis2, S. Picaud3, K.
Altwegg4, M. Rubin4 et J. M. Salazar1, Astrophysical Journal Letters (2015)
• Retrouvez la publication sur la base d’archives ouvertes arXiv

Contact chercheur
Jean-Marc Simon, maître de conférences de l’université de Bourgogne

Informations complémentaires : 
1 Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB)
2 Laboratoire d’Astrophysique de Marseille (LAM)
3 Institut UTINAM
4 Physikalisches Institut, University of Bern, Switzerland

www.cnrs.fr/inp/