PLANETOLOGIE ET TERRE PRIMITIVE

PLANETOLOGIE ET TERRE PRIMITIVE
LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive PLANETOLOGIE ET TERRE PRIMITIVE Christophe Thomazo UMR CNRS/uB5561 Biogéoscience UFR Sciences Vie, Terre, Environnement Mail :

LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive

Une origine primordiale par accrétion-différenciation ? la chondrite d'Allende

Une origine cométaire post-différenciation? La comète de Hale-Bopp

Une origine secondaire par dégazage post différenciation ?

Après enquêtes, les uns postulent en effet que notre eau fut pour l'essentiel apportée par des pluies decomètes — riches en eau — qui se sont abattues sur tous les corps du Système solaire interne au cours du bombardement massif tardif, plusieurs centaines de millions d’années après la formation des planètes… Et les autres suggèrent que la présence de l’eau est concomitante de la genèse de la Terre.

Désignés eucrites, ils proviennent donc de ce deuxième plus grand corps (530 km de diamètre) de la ceinture principale d’astéroïdes, lequel a commencé à se constituer quelque 14 millions d’années seulement après la formation du Système solaire, qui plus est dans la même région que la Terre.

« Une des conséquences de cela est que la vie sur notre planète a pu commencer beaucoup plus tôt, souligne Sune Nielsen. Sachant que l’eau est arrivée précocement dans le Système solaire interne, cela signifie que les autres planètes aussi (Mercure, Vénus et Mars) ont pu être humides très tôt et évolué vers la vie avant qu’elles ne deviennent les environnements hostiles que l’on connaît aujourd’hui. »

- PLAN DU COURS L’origine de la matière et la formation du système solaire Origine et structure de L’univers Le cycle de la matière : Nuages interstellaire/Etoiles/Système solaire

- PLAN DU COURS L'Univers est une notion scientifique qui désigne l'ensemble de la matière distribuée dans le temps et dans l'espace … Supercalculateur CURIE capable d'effectuer jusqu'à 2 millions de milliards d'opérations à la seconde

Selon le modèle standard

Matière sombre ?

Energie sombre ?

Dans l’univers, les étoiles sont regroupées en galaxie : Galaxie d’Andromède

Notre galaxie est la voie lactée Elle compte 200 à 400 milliards d’étoiles !

Notre galaxie a structure spirale

Les observations du télescope spatial Spitzer datant de 2005 ont permis de réunir des preuves suggérant que la Voie lactée est une galaxie spirale barrée Image en fausse couleur du proche infrarouge du centre galactique.

La Voie lactée est une galaxie spirale barrée Image obtenue en assemblant des photos couvrant l'ensemble de la sphère céleste. Ces photos ont été pour la plupart prise depuis les sites l'Observatoire Européen Austral (ESO) sur le mont Paranal et à la Silla au Chili. Le panorama final correspond à 120 heures d'observations, étalées sur plusieurs semaines.

Le centre galactique abrite un objet compact de très grande masse (nommé Sagittarius A*) qui est un trou noir supermassif dont la masse est égale à 4 millions de fois celle du Soleil. Photographie de Sagittarius A* (au centre) et de deux échos lumineux provenant d'une explosion récente (entourés)

La galaxie du tourbillon vue « du dessus » NASA Hubble Space Telescope

Galaxies des Antennes Les Galaxies des Antennes, une paire de galaxies en interaction allant probablement fusionner dans 400 millions d'années ….

La Voie lactée appartient à un groupe de galaxies simplement appelé Groupe local, qui comprend deux grandes galaxies : la Voie lactée et la galaxie d’Andromède (aussi appelé M31)

La Galaxie naine du grande chien est la plus proche de la voie lactée Constellation du grand chien

La structure hiérarchisée de l’Univers
LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive La structure hiérarchisée de l’Univers les super-amas de galaxies (cinq à six amas), 1016 mS les amas (des milliers de galaxies), 1010 mS les groupes de galaxies (une dizaine), 109mS les galaxies (100 à 1000 milliards d’étoiles) les étoiles, < 100 mS les planètes Astronomy oct. 1998, p.84

Amas et superamas proches (Jarrett 2004)
LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Amas et superamas proches (Jarrett 2004)

UNE OBSERVATION FONDAMENTALE = L’univers est en expansion

Origine de l’Univers ? Universum - C. Flammarion, gravure sur bois, Paris 1888, coloris : Heikenwaelder Hugo, Wien 1998

Origine des éléments? Origine des molécules? Origine de la matière solide? Origine de la complexité? Origine de la matière prébiotique?

Les abondances « cosmiques » : le matériau de base H, He - 100, 10 - pas condensables - gaz interstellaire - H2, He - étoiles physique du gaz (P, T, nH) O, C, N partiellement condensables - H2O/CH4/NH3/CO/C - gaz/grains chimie organique (composition) Si, Mg, Fe condensables - silicates (roches), grains interstellaires chimie minérale (catalyse) Autres condensables – grains cosmochimie (isotopes, nucléosynthèse)

Théorie du Big Bang Début = Marche arrière jusqu’à la limite : +/- 15 milliards d’années (13,7) Température 1 milliard de milliard de milliard de degrés Densité infinie Magma explosif de quarks = Chaud, dense, explosif, « lumineux » Avant ? Équations impuissantes actuellement Besoin d’une théorie quantique de la gravité Candidat : théorie des « supercordes »

Théorie du Big Bang Temps = « 0 » : Big Bang Création du temps et des 3 dimensions Température passe de 1012 à 1010 degrés. Une gigantesque annihilation : Particules / antiparticules se transforment en photons La température est trop élevée, la matière trop dense, les électrons sont libres : Le big bang est invisible !

Théorie du Big Bang Temps = seconde =0, s (limite de Plank de la théorie quantique) la matière de l'univers correspond à une "purée" de quarks, d'électrons et de positons baignant dans une énergie énorme (T° > mille milliards de degrés) phase d'expansion jusqu'à s après le Big Bang. La température est trop élevée, la matière trop dense, les électrons sont libres : le big bang est invisible !

Théorie du Big Bang Temps = 1µs =0, s : mise en action de la Force Forte la force nucléaire forte va devenir supérieure à l'agitation des quarks et va les lier entre eux (grâce aux gluons!) trois par trois pour former les protons et neutrons Temps = +/- 1min : Mise en action de la Force Faible Température n'est plus que de 3-10 milliards de degrés l'énergie thermique devient inférieure à la force faible. La nucléosynthèse initiale, avec la formation des noyaux atomiques légers à partir de la liaison des protons et neutrons peut alors débuter. Protons + électrons forment l’Hélium, l’Hydrogènes et quelques éléments lourds Expansion et refroidissement pendant … 1 million d’années

Théorie du Big Bang Expansion et refroidissement pendant … 1 million d’années Temps = ans : composition de l’univers électrons noyaux d'Hydrogène (protons) noyaux de deutérium 2H, 3He,4He 7Li Carte du fond diffus cosmologique du ciel en entier, duquel on a soustrait la lumière de la voie lactée La densité de matière étant plus faible, les photons peuvent circuler l'univers devient transparent Le rayonnement résultant est celui, découvert par Penzias et Wilson en 1965 et aujourd'hui refroidi à -270 degrés Celcius

Le rayonnement fossile
LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive T = 2,73 K Arno Penzias (gauche) et Robert Wilson ont détecté le rayonnement fossile en 1965 (Prix Nobel) Le rayonnement fossile Tiré de : «Le Big Bang» , Joseph Silk, Éd. Odile Jacob, 1997, 448 p. p.86 La taille des symboles représente l,incertitude de la mesure multipliée par un facteur 10  (mm)

Théorie du Big Bang Temps > ans : Mise en action de la force Electro-Magnétique Température < 3000 degrés naissance des atomes protons + électrons = Hydrogène Naissance de quelques molécules comme la molécule d'H2 Expansion et refroidissement… Temps > ans : la gravité devient + forte que les force thermiques La purée d’atome d’Hydrogène et d’hélium se condense en grumeaux (phénomènes mal compris) Gravité engendre la rotation Apparition des galaxies, des amas et super amas de galaxies Rotation et influences mutuelles fortes des galaxies entre elles (éloignement = seulement 10x leurs tailles)

Organisation Expansion / dilution / refroidissement Les forces cimentent et organise la structure de l’univers On passe du chaos hyper énergétique aux galaxies

ans

Amas de Galaxies n  10-3 cm-3 T = K Galaxies Nuage diffus ionisé n = 1 cm-3 T = K Nuage neutre n = 20 cm-3 T = 100 K Nuage dense n = 104 à 106 cm-3 T = 10 K Univers primordial n = ? cm-3 T = ? K

Les secondes après le Big Bang ……… Condensation de matière en noyau: p (1H), e– et n Et formation du carburant des étoiles de première génération H et He T  3 x 109 K 1H + e–  n + v 1H + n  2H + g 2H + 1H  3He + g 3He + n  4He + g

Etoile de 1er Generation: Combustion de 3He : avec Li, B et Be
LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Etoile de 1er Generation: Combustion de 3He : avec Li, B et Be 3He + 4He  7Be 7Be  7Li + b– + v 7Li + 1H  2 4He 7Be + 1H  8B + g 8B  8Be + b+ + v 8Be  2 4He

Etoiles de 2ème Génération - Fusion par réaction CNO 12C + 1H  13N + g 13N  13C + b+ + v 13C + 1H  14N + g 14N + 1H  15O + g 15O  15N + b+ + v 15N + 1H  12C + 4He 12C + 4 1H  12C + 3 g + 2 b+ + 2 v

Discover, mai 2005, p.14

- PLAN DU COURS L’origine de la matière et la formation du système solaire Origine et structure de L’univers Le cycle de la matière : Nuages interstellaire/Etoiles/Système solaire

La mort d’une étoile: (1) la Supernova Nébuleuse du Crabe Tous les éléments sont éjectés (gaz), pas de grains

La mort d’une étoile: (2) la géante rouge - nébuleuse planétaire Formation de grains Silicates O/C >1 - SiC et carbone O/C<1

La matière « solide » dans une galaxie: poussières interstellaires Cliché: Hubble ST/NASA

La nébuleuse de l'Aigle Cliché: Hubble ST/NASA

Atomes, ions Extinction = diffusion+absorption Molécules observées (gaz) Rougissement Nébuleuse d’Orion: la Tête de Cheval

Composés hydrogénées H2, HD, H3+, H2D+ Chaînes et cycles carbonés CH CH C CH CCH C3 CH C2H l-C3H c-C3H CH C4 C-C3H l-C3H C4H C C2H C5H l-H2C HC4H CH3CCH C6H C6H HC6H C7H CH3C4H C8H C6H6 Composés contenant H, O, C OH CO CO H2O HCO HCO HOC C2O CO H3O+ HOCO H2CO C3O HCOOH CH2CO H2COH+ CH3OH CH2CHO HC2CHO C3O CH3CHO c-C2H4O CH3OCHO CH2OHCHO CH3COOH CH3CHOH (CH3)2O CH3CH2OH (CH3)2CO HOCH2CH2OH C2H5OCH3 Composé contenant H, C, N NH CN NH HCN HNC N2H+ NH HCNH+ H2CN HCCN C3N CH2CN CH2NH HC3N HC2NC NH2CN C3NH CH3CN CH3NC HC3NH+ C3N CH3NH2 C2H3CN HC5N CH3C3N C2H5CN HC7N CH3C5N HC9N HC11N Composés contenant H, O, C, N NO HNO N20 HNCO NH2CHO (?), (NH2)2CO (?) CH2COOHNH2 (?) Composés soufré, silicés et autres espèces SH CS SO SO+ NS SiH SiC SiN SiO SiS HCl NaCN MgCN MgNC H2CS HNCS C3S c-SiC3 NaCl AlCl KCl HF AlF CP PN H2S C2S SO2 OCS HCS+ c-SC2 SiCN SiH4 SiC4 CH3SH C5S FeO AlNC Molécules détectées formamide, urée, glycine

Le télescope (60 m de ISO)

Spectre d’Absorption de la Glace et des Silicates (NGC IRS9) observé par ISO * XCN * Whittet, et al., Astron. Astrophys. 315 (1996) L357-L360

Grain Interstellaire: modèle simple Cœur silicaté Glace de composés volatils : H2O, CO, NH3, CH4, Composés carbonés < 1mm 10 < T < 100 K

Protoétoile Globar OUTILS 1000 K IR Nuage Moléculaire Simulations en laboratoire: comparaison directe entre les spectres astronomiques et ceux obtenus en laboratoire 10 K Film de glaces 10 K Grain IS Technique utilisée: Spectroscopie d’espèces réactives en matrices de gaz rares (d’Hendecourt et Dartois, 2001) Lampe UV Gaz Satellite Détecteur

Vide Mélanges gazeux: H2O/CO/NH3/CH4/ OUTILS Spectromètre IR Source UV Fenêtre froide 10K-200K

OUTILS

Évolution des Glaces Interstellaires

Evolution vers le résidu organique: détection de nombreux acides aminés Traitement: extraction par hydrolyse HCl, dérivatisation et analyse GCMS (Munoz-Caro et al, 2003, Bernstein et al, 2003)

De la Chimie du Milieu Interstellaire à la Chimie du Vivant : à la Recherche des « Briques de la Vie » Acides aminés Bases pyrimidiques et puriques Sucre(s) Acide gras Eau Minéraux Molécules prébiotiques Vie ?

Les molécules chirales
LICENCE L2 STE / Semestre 3 /Planétologie et Terre Primitive Les molécules chirales miroir énantiomères Excès énantiomérique : eeL  0 : [D]  [L] mélange racémique eeL  0 : non racémique

La comète Schwassman-Wachman 3 vue par Hubble: fragmentation Cliché Hubble-ST, NASA

Une poussière interplanétaire (~10 micromètres) Stardust 2004

Spectre moléculaire d’Orion

Origine des éléments? Origine des molécules? Origine de la matière solide? Origine de la complexité? Origine de la matière prébiotique?

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