La Terre aurait produit l’essentiel de son eau pendant sa formation, alors que des roches réagissaient avec une atmosphère riche en hydrogène. C’est ce que révèlent des expériences de laboratoire publiées dans la revue Nature Geoscience par des chercheurs de l’Université du Nouveau-Mexique, parmi lesquels figure également le chercheur Peter Olson.
Pendant des décennies, la provenance des océans terrestres a divisé les spécialistes. Les théories traditionnelles attribuaient cet apport liquide à des bombardements externes de comètes et de météorites riches en glace lors des premiers âges de la planète. Cependant, cette hypothèse se heurte à des contraintes chronologiques strictes, notamment en raison de l’impact géant qui a formé la Lune, du bombardement tardif intense (ou Late Heavy Bombardment) et des anomalies de composition chimique dans le manteau terrestre.
Des expériences à haute température reproduisent l’atmosphère primitive
Pour explorer une autre piste, une équipe menée par la doctorante Susmita Garai et le professeur Zachary Sharp, directeur des sciences de la Terre et des planètes à l’Université du Nouveau-Mexique, avec la participation de Peter Olson, a conçu un dispositif expérimental exigeant. Les scientifiques ont chauffé des échantillons de roches silicatées à des températures comprises entre 1 200 °C et 1 400 °C, tout en les exposant à des flux d’hydrogène. Des tests comparatifs ont également été menés sous un flux d’hélium.
Près de 80 % de l’oxyde de fer contenu dans les échantillons rocheux s’est transformé en fer métallique sous l’effet de la chaleur et de l’hydrogène. Cela a libéré de la vapeur d’eau en quelques minutes seulement. En revanche, la même réaction chimique n’a pas eu lieu sous l’hélium.
Nous avions soupçonné et espéré que nous produirions du fer métallique et de l’eau dans nos expériences de réduction, mais nous n’avions vraiment aucun moyen de savoir à quelle vitesse et en quelle quantité. Nous avons été assez surpris de constater que l’extrapolation de notre travail suggère que des centaines d’océans d’eau ont probablement été produits de cette manière.
Zachary Sharp, professeur et directeur des sciences de la Terre et des planètes à l’UNM
Une explication alternative au modèle des comètes
Ce mécanisme s’inscrit dans le cadre de l’accrétion de cailloux, un modèle de formation planétaire récent selon lequel de petits débris rocheux, d’une taille de l’ordre du millimètre au centimètre, se sont accumulés pour constituer les jeunes planètes.
Lorsque la masse d’un protoplanète dépasse environ 0,3 masse terrestre, celui-ci retient une enveloppe atmosphérique épaisse, chaude et sous haute pression, riche en hydrogène et en hélium.
Ces petits cailloux tombent lentement à travers l’atmosphère pendant des heures ou des jours, dépassant leur point de fusion.
En tombant à travers cette atmosphère primitive, les cailloux silicatés subissent une réduction de l’oxyde de fer par l’hydrogène ambiant. Ce phénomène génère à la fois du fer pur destiné à alimenter le noyau métallique de la planète et des quantités massives de vapeur d’eau. Selon les chercheurs de l’UNM, cette production endogène évite d’avoir à faire venir l’intégralité du liquide depuis les confins glacés du système solaire.
En regardant une grande étendue d’eau, il est difficile d’imaginer que cette eau ait pu être produite il y a 4 milliards et demi d’années dans une atmosphère semblable à l’enfer, mais c’est fort bien possible.
Zachary Sharp, professeur et directeur des sciences de la Terre et des planètes à l’UNM
Implications pour l’habitabilité des exoplanètes
Les auteurs de l’étude, dont les travaux ont fait l’objet d’une publication intitulée « Dry pebble rain could have delivered water to Earth through hydrogen reduction of iron oxide », soulignent que ce mode de fabrication de l’eau ne concerne pas uniquement la Terre. Si la plupart des planètes rocheuses se forment par accrétion de cailloux et acquièrent une telle atmosphère, le processus chimique identifié en laboratoire pourrait se révéler universel dans l’univers pour toute planète de la taille de la Terre.
Les scientifiques rappellent que la quantité finale d’eau retenue dépend toutefois de facteurs complexes, tels que l’extraction par les gaz de la nébuleuse ou les pertes atmosphériques ultérieures. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour quantifier précisément la part d’eau terrestre issue de cette source initiale par rapport à d’autres apports éventuels.
Par ailleurs, les travaux de l’équipe de l’Université du Nouveau-Mexique mettent en avant les réactions locales entre roches et hydrogène atmosphérique. Des interrogations persistent quant aux contraintes temporelles strictes qu’impose la chronologie des impacts et des phases de fusion globale de la planète.
Des analyses complémentaires menées par d’autres équipes suggèrent ainsi que l’apport par des corps glacés extérieurs reste un sujet débattu. L’évaluation précise de la quantité d’eau générée par ces pluies de cailloux à haute température ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre l’origine de l’habitabilité terrestre.
À ne pas manquer