L’instrument ROSINA à bord de Rosetta nous renseigne sur la composition de l’eau de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko

La sonde Rosetta a mis en évidence que l’eau détectée à proximité de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko a des caractéristiques isotopiques très différentes de celle que l’on trouve sur Terre. Cette découverte a été réalisée par l’instrument ROSINA et relance le débat sur l’origine de l’eau des océans terrestres.
ROSINA, dans lequel sont impliqués le LATMOS et le LPC2E, est un détecteur permettant d’analyser les ions et les atomes neutres. Cet instrument comprend deux spectromètres de masse, DFMS et RTOF, ainsi qu’un détecteur de pression cométaire, COPS.
L’analyse réalisée ici s’est effectuée grâce aux mesures de DFMS sur plus de 50 spectres collectés entre le 8 août et le 5 septembre 2014 et le rapport D/H a été obtenu à partir des mesures de HD16O/H216O.

La question de l’origine de l’eau sur Terre

Les mesures de ROSINA, réalisées le mois suivant la mise en orbite de Rosetta autour de 67P/C-G, constituent un des résultats les plus attendus de la mission car l’origine de l’eau sur Terre demeure une énigme.

Un des scénarios privilégiés est que la Terre s’est formée il y a 4,6 milliards d’années dans un environnement très chaud ne permettant pas de maintenir l’eau originelle sur Terre. L’eau serait apparue plus tard quand la Terre s’est refroidie, lors de collisions avec des comètes et des astéroïdes qui la lui auraient alors fournie. La contribution relative de ces différents objets à l’apport en eau sur Terre est toujours incertaine.

L’origine de l’eau se détermine par son rapport D/H, à savoir la proportion de deutérium par rapport à l’hydrogène, qui constitue un indicateur important de la formation et de l’évolution du système solaire.
Un des objectifs est de comparer le D/H de plusieurs types d’objets avec celui mesuré dans les océans sur Terre, dans le but de savoir dans quelle mesure chaque type d’objets a contribué à l’eau sur Terre.

Les comètes permettent en particulier de sonder le système solaire primitif : elles abritent la matière provenant du disque protoplanétaire où se forment les planètes et sont donc le reflet de la composition primordiale de leur lieu d’origine.
Mais le processus n’est pas aussi simple.
Les comètes à longue période qui proviennent du nuage d’Oort se sont formées à l’origine dans la région entre Uranus et Neptune, suffisamment loin du Soleil pour que de la glace d’eau subsiste. Elles ont ensuite été disséminées aux confins du système solaire en raison de leurs interactions gravitationnelles avec les planètes géantes, tandis que ces dernières s’installaient dans leur orbite.

À l’inverse, on pense que les comètes de la famille de Jupiter se seraient formées beaucoup plus loin, dans la ceinture de Kuiper (au-delà de Neptune). Ces objets quittent parfois leur emplacement et sont envoyés vers le système solaire interne, sous l’influence gravitationnelle de Jupiter.
En effet, 67P/C-G fait partie des comètes de la famille de Jupiter puisqu’elle voyage maintenant autour du Soleil entre l’orbite de la Terre et celle de Mars au périhélie et au-delà de Jupiter à son aphélie, avec une période de 6,44 ans.

Illustration montrant les deux principaux réservoirs de comètes du système (...)
Illustration montrant les deux principaux réservoirs de comètes du système solaire : la ceinture de Kuiper, située entre 30 et 50 UA du Soleil, et le nuage d’Oort, qui s’étendrait de 50 à 100000 UA du Soleil.

Crédits : ESA

La mesure du rapport D/H

De précédentes mesures du rapport D/H sur d’autres comètes ont montré des valeurs très disparates. Sur les onze comètes dont le D/H a été mesuré, seule la comète Hartley 2 (de la famille des comètes de Jupiter), observée grâce à la mission Herschel, montre une composition de l’eau similaire à celle de la Terre.

En revanche, les météorites provenant d’objets originaires de la ceinture d’astéroïdes (entre Mars et Jupiter) présentent également une composition similaire à l’eau terrestre. Ainsi, malgré le fait que les astéroïdes soient composés de beaucoup moins d’eau que les comètes, on peut supposer que les impacts d’un grand nombre d’astéroïdes pourraient avoir engendré les océans.

C’est dans ce contexte que les recherches de Rosetta sont importantes. Curieusement, le rapport D/H mesuré par ROSINA est plus de trois fois plus élevé (5,3x10-4) que celui des océans terrestres (1,56 x10-4) et de son compagnon de la famille de Jupiter, la comète Hartley 2. En effet, il est encore plus élevé que n’importe quelle mesure effectuée sur une comète du nuage d’Oort.

Cette découverte surprenante pourrait indiquer une origine différente pour les comètes de la famille de Jupiter, qui se seraient peut-être formées lorsque le systèmes solaire était très jeune, sur des distances beaucoup plus étendues que ce que l’on supposait jusqu’alors.
Cette mesure de Rosetta renforce les modèles qui accréditent les astéroïdes comme étant majoritairement à l’origine de l’eau sur Terre. Elle montre que la diversité des comètes est plus complexe que ce que prédisaient les modèles simples à deux familles de comètes, et que l’enrichissement en deutérium dans les objets du système solaire reste encore mal compris.

En haut à gauche : Dessin de l’instrument ROSINA à bord de Rosetta. Crédits : ESA

En bas à gauche : Schéma d’un atome d’hydrogène (un proton et un électron) et d’un atome de deutérium (un proton et un neutron avec un électron).

À droite : Le graphique représente les valeurs de D/H pour plusieurs objets du système solaire. Les points sont regroupés par couleur : les planètes et les lunes (en bleu), les chondrites de la ceinture d’astéroïdes (en gris), les comètes provenant du nuage d’Oort (en violet) et celles de la famille de Jupiter (en rose). La mesure de la comète 67P/Churyumov-Gerasimenko est représentée en jaune. Les losanges représentent les mesures in situ, les cercles les données obtenues par d’autres méthodes. La partie en bas du graphique montre la valeur de D/H mesurée dans l’atmosphère des planètes géantes du système solaire (Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune) et fournit une estimation de la valeur typique pour la nébuleuse protoplanétaire à partir de laquelle tous les objets du système solaire se sont formés.