Des scientifiques du MIT et d'ailleurs ont découvert des restes extrêmement rares de la « proto-Terre », qui s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années, avant qu'une collision colossale ne modifie de manière irréversible la composition de la planète primitive et ne donne naissance à la Terre telle que nous la connaissons aujourd'hui. Leurs découvertes, rapportées aujourd'hui dans la revue Géosciences de la natureaidera les scientifiques à reconstituer les ingrédients primordiaux qui ont forgé les débuts de la Terre et le reste du système solaire.
Il y a des milliards d'années, le système solaire primitif était un disque tourbillonnant de gaz et de poussière qui ont fini par s'agglutiner et s'accumuler pour former les premières météorites, qui à leur tour ont fusionné pour former la proto Terre et ses planètes voisines.
Dans cette première phase, la Terre était probablement rocheuse et bouillonnante de lave. Puis, moins de 100 millions d’années plus tard, une météorite de la taille de Mars s’est écrasée sur la planète naissante lors d’un singulier « impact géant » qui a complètement brouillé et fait fondre l’intérieur de la planète, réinitialisant ainsi sa chimie. On pensait que le matériau original à partir duquel la proto-Terre était constituée avait été complètement transformé.
Mais les conclusions de l’équipe du MIT suggèrent le contraire. Les chercheurs ont identifié une signature chimique dans les roches anciennes qui est unique par rapport à la plupart des autres matériaux trouvés aujourd'hui sur Terre. La signature se présente sous la forme d’un subtil déséquilibre des isotopes du potassium découvert dans des échantillons de roches très anciennes et très profondes. L’équipe a déterminé que le déséquilibre du potassium ne pouvait pas avoir été produit par des impacts importants ou des processus géologiques antérieurs se produisant actuellement sur Terre.
L'explication la plus probable de la composition chimique des échantillons est qu'ils doivent être des restes de matériaux de la proto-Terre qui sont restés inchangés, même si la majeure partie de la première planète a été touchée et transformée.
« C'est peut-être la première preuve directe que nous avons préservé les matériaux proto-Terriens », déclare Nicole Nie, professeur adjoint de développement de carrière Paul M. Cook en sciences de la Terre et des planètes au MIT. « Nous voyons un morceau de la très ancienne Terre, avant même l'impact géant. C'est étonnant car nous nous attendrions à ce que cette toute première signature soit lentement effacée au cours de l'évolution de la Terre. »
Les autres auteurs de l'étude comprennent Da Wang de l'Université de technologie de Chengdu en Chine, Steven Shirey et Richard Carlson de la Carnegie Institution for Science à Washington, Bradley Peters de l'ETH Zurich en Suisse et James Day de la Scripps Institution of Oceanography en Californie.
Une curieuse anomalie
En 2023, Nie et ses collègues ont analysé de nombreuses météorites majeures collectées sur des sites du monde entier et soigneusement étudiées. Avant d'impacter la Terre, ces météorites se sont probablement formées à différents moments et endroits du système solaire et représentent donc l'évolution des conditions du système solaire au fil du temps. Lorsque les chercheurs ont comparé la composition chimique de ces échantillons de météorites à celle de la Terre, ils ont identifié parmi eux une « anomalie isotopique du potassium ».
Les isotopes sont des versions légèrement différentes d’un élément qui ont le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. L'élément potassium peut exister dans l'un des trois isotopes naturels, avec des nombres de masse (protons plus neutrons) de 39, 40 et 41, respectivement. Partout où le potassium a été trouvé sur Terre, il existe sous la forme d’une combinaison caractéristique d’isotopes, le potassium 39 et le potassium 41 étant majoritairement dominants. Le potassium 40 est présent, mais à un pourcentage infime en comparaison.
Nie et ses collègues ont découvert que les météorites qu’ils ont étudiées présentaient des équilibres d’isotopes de potassium différents de ceux de la plupart des matériaux présents sur Terre. Cette anomalie potassique suggère que tout matériau présentant une anomalie similaire est probablement antérieur à la composition actuelle de la Terre. En d’autres termes, tout déséquilibre en potassium serait un signe fort de la présence de matière provenant de la proto-Terre, avant que l’impact géant ne modifie la composition chimique de la planète.
« Dans ce travail, nous avons découvert que différentes météorites ont des signatures isotopiques différentes du potassium, ce qui signifie que le potassium peut être utilisé comme traceur des éléments constitutifs de la Terre », explique Nie.
« Construit différemment »
Dans la présente étude, l’équipe a recherché des signes d’anomalies en potassium non pas dans les météorites, mais au sein de la Terre. Leurs échantillons comprennent des roches, sous forme de poudre, provenant du Groenland et du Canada, où se trouvent certaines des roches préservées les plus anciennes. Ils ont également analysé des dépôts de lave collectés à Hawaï, où les volcans ont extrait du manteau (la couche de roche la plus épaisse de la planète qui sépare la croûte du noyau) certains des matériaux les plus anciens et les plus profonds de la Terre.
« Si cette signature potassique est préservée, nous voudrions la rechercher dans les profondeurs du temps et de la Terre », explique Nie.
L'équipe a d'abord dissous les différents échantillons de poudre dans de l'acide, puis a soigneusement isolé tout potassium du reste de l'échantillon et a utilisé un spectromètre de masse spécial pour mesurer le rapport de chacun des trois isotopes du potassium. Remarquablement, ils ont identifié dans les échantillons une signature isotopique différente de celle trouvée dans la plupart des matériaux sur Terre.
Plus précisément, ils ont identifié un déficit en isotope du potassium-40. Dans la plupart des matériaux sur Terre, cet isotope constitue déjà une fraction insignifiante comparée aux deux autres isotopes du potassium. Mais les chercheurs ont pu constater que leurs échantillons contenaient un pourcentage encore plus faible de potassium-40. Détecter ce petit déficit, c'est comme repérer un seul grain de sable brun dans un seau plutôt qu'une cuillère pleine de sable jaune.
L'équipe a découvert qu'en effet, les échantillons présentaient un déficit en potassium 40, ce qui montre que les matériaux « étaient construits différemment », explique Nie, par rapport à la plupart de ce que nous voyons sur Terre aujourd'hui.
Mais les échantillons pourraient-ils être de rares vestiges de la proto Terre ? Pour répondre à cette question, les chercheurs ont supposé que cela pourrait être le cas. Ils ont estimé que si la proto-Terre avait été fabriquée à l’origine à partir de matériaux déficients en potassium 40, alors la plupart de ces matériaux auraient subi des modifications chimiques – dues à l’impact géant et aux impacts ultérieurs de météorites plus petits – qui auraient finalement abouti aux matériaux contenant plus de potassium 40 que nous voyons aujourd’hui.
L'équipe a utilisé les données de composition de toutes les météorites connues et a effectué des simulations sur la manière dont le déficit en potassium 40 des échantillons changerait suite aux impacts de ces météorites et de l'impact géant. Ils ont également simulé les processus géologiques que la Terre a connus au fil du temps, tels que le réchauffement et le mélange du manteau. En fin de compte, leurs simulations ont produit une composition avec une fraction de potassium 40 légèrement supérieure à celle des échantillons du Canada, du Groenland et d’Hawaï. Plus important encore, les compositions simulées correspondaient à celles de la plupart des matériaux modernes.
Les travaux suggèrent que les matériaux présentant un déficit en potassium 40 sont probablement des restes de matériaux originaux de la protoTerre.
Curieusement, la signature des échantillons ne correspond pas exactement à celle d’une autre météorite présente dans les collections des géologues. Bien que les météorites des travaux précédents de l’équipe aient montré des anomalies en potassium, elles ne correspondent pas exactement au déficit observé dans les échantillons de proto-Terre. Cela signifie que les météorites et les matériaux initialement formés sur la Terre n'ont pas encore été découverts.
« Les scientifiques ont tenté de comprendre la composition chimique originale de la Terre en combinant les compositions de différents groupes de météorites », explique Nie. « Mais notre étude montre que l'inventaire actuel des météorites n'est pas complet et qu'il reste encore beaucoup à apprendre sur l'origine de notre planète. »
