L’origine des pallasites, des météorites constituées de métal et de silicate, a été élucidée

Les météorites nous donnent un aperçu du développement précoce du système solaire. En utilisant l’instrument SAPHiR de la source de neutrons Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) de l’Université technique de Münich (TUM), une équipe scientifique a pour la première fois simulé la formation d’une classe de météorites en fer, appelées pallasites, sur une base purement expérimentale.

« Les pallasites sont les météorites les plus belles et les plus inhabituelles du point de vue optique », déclare avec enthousiasme le Dr Nicolas Walte, premier auteur de l’étude. Elles appartiennent au groupe des météorites pierreuses et ferreuses et sont constituées de cristaux d’olivine verte noyés dans du nickel et du fer. Malgré des décennies de recherche, leurs origines exactes sont restées entourées de mystère.

Tranche de pallasite. Crédit Dr. Nicolas P. Walte / TUM

Pour résoudre cette énigme, le Dr Nicolas Walte, chercheur en instrumentation au Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) de Garching, a étudié le processus de formation de la pallasite avec des collègues du Geoinstitut bavarois de l’Université de Bayreuth et de la Royal Holloway University de Londres. Dans un premier temps, ils ont réussi à reproduire expérimentalement les structures de tous les types de pallasites.

Déploiement de l’instrument SAPHiR

Pour ses expériences, l’équipe a utilisé la presse multi-enclume SAPHiR qui a été mise en place sous la direction du professeur Hans Keppler du Geoinstitut bavarois à la MLZ et la presse similaire MAVO à Bayreuth. Bien que les neutrons du FRM II n’aient pas encore été introduits dans la presse SAPHiR, des expériences sous haute pression et à haute température peuvent déjà être réalisées.

Vue de l’intérieur de la presse multi-enclumes SAPHiR à la source de neutrons de recherche Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) à l’Université technique de Munich (TUM). Avec une pression de 1 GPa à 1300 °C, l’équipe de recherche a simulé la collision de deux corps célestes. Dans un premier temps, ils ont réussi à reproduire expérimentalement les structures de tous les types de pallasites. Crédit Wenzel Schuermann / TUM.

« Avec une force de pression de 2 400 tonnes, SAPHiR peut exercer une pression de 15 gigapascals (GPa) sur des échantillons à plus de 2000 °C, explique Walte. C’est le double des pressions nécessaires pour convertir le graphite en diamant. » Pour simuler la collision de deux corps célestes, l’équipe de recherche n’a eu besoin que d’une pression de 1 GPa à 1 300 °C.

Comment les pallasites se forment-elles ?

Jusqu’à récemment, on pensait que les pallasites se formaient à la limite entre le noyau métallique et le manteau rocheux des astéroïdes. Selon un autre scénario, les pallasites se forment plus près de la surface après la collision avec un autre corps céleste. Lors de l’impact, le fer fondu du noyau de l’impacteur se mélange au manteau riche en olivine du corps parent.

Les expériences menées ont maintenant confirmé cette hypothèse de l’impact. Une autre condition préalable à la formation de pallasites est que le noyau de fer et le manteau rocheux de l’astéroïde se soient partiellement séparés au préalable.

Tout cela s’est produit peu après leur formation, il y a environ 4,5 milliards d’années. Pendant cette phase, les astéroïdes se sont réchauffés jusqu’à ce que les composants métalliques plus denses fondent et s’enfoncent au centre des corps célestes.

Impact d’un petit astéroïde sur un plus gros. Lors de l’impact, le fer fondu du noyau du corps percutant se mélange à la couche riche en olivine du corps parent des météorites. Crédit Reiner Mueller / TUM.

La principale conclusion de l’étude est que les deux processus – la séparation partielle du noyau et du manteau, et l’impact ultérieur d’un autre corps céleste – sont nécessaires à la formation des pallasites.

Aperçu des origines du Système solaire

« En général, les météorites sont les plus anciens constituants directement accessibles de notre Système solaire. L’âge du système solaire et son histoire précoce sont principalement déduits de l’étude des météorites », explique Walte.

« Comme beaucoup d’astéroïdes, la Terre et la Lune sont stratifiées en plusieurs couches, composées du noyau, du manteau et de la croûte, explique Nicolas Walte. De cette façon, des mondes complexes ont été créés par l’agglomération de débris cosmiques. Dans le cas de la Terre, cela a finalement posé les bases de l’émergence de la vie. »

Les expériences de haute pression et la comparaison avec les pallasites mettent en évidence des processus importants qui se sont produits au début du système solaire. Les expériences de l’équipe apportent de nouvelles connaissances sur la collision et le mélange de matériaux de deux corps célestes et le refroidissement rapide qui s’en est suivi. Ces phénomènes seront étudiés plus en détail dans de futures études.

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Traduction d’un communiqué de presse de l’Université technique de Münich.

Nicolas P. Walte et al., Two-stage formation of pallasites and the evolution of their parent bodies revealed by deformation experiments, Earth and Planetary Science Letters 546, 15 September 2020.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0012821X20303630