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Origine de l'eau

Lac de glace d'eau découvert en 2005 par la sonde Mars Express dans la région de Vastitas Borealis située près du pôle Nord de Mars (70.5° N). Le cratère mesure 35 km de diamètre et la glace s'étend sur 2 km d'épaisseur. Les hauteurs ont été exagérées 3 fois pour mettre en évidence la glace sur les remparts. Document ESA/DLR. Cf. le dossier consacré à Mars pour plus de détails.

De la Terre aux confins de l'univers

Nous pensons généralement que l'eau n'existe que sur Terre. En réalité, nous devons distinguer plusieurs problèmes : d'où vient l'eau présente sur Terre, découvrir si elle existe ailleurs dans le système solaire (même sous une autre forme) et éventuellement dans l'univers.

1. D'où vient l'eau de la Terre ?

Le bilan complet de l'eau présente sur Terre nous permet de conclure que l'eau contenue dans les océans ainsi que dans l'atmosphère ne représente que 50 % de la quantité d'eau terrestre.

L'eau qui ruisselle en surface, dans les cavernes et surtout emprisonnée dans les roches jusqu'à plusieurs kilomètres de profondeur représente à son tour 50 % de l'eau terrestre.

Globalement, la Terre contient environ 2.5 millions de milliards de tonnes d'eau soit un volume de 1385 milliards de km3 d'eau. Au bas mot, cela représente un cube de 320 mètres de côté à la disposition de chaque habitant et ce, chaque jour ! Malheureusement elle est très mal distribuée et certains nappes aquifères ou roches hydratées comme la ringwoodite qui contient trois fois le volume des océans sont inaccessibles car enfouies profondément sous terre quand l'eau n'est pas salée.

Si nous répartissions toute l'eau contenue dans l'atmosphère entre tous les habitants de la planète, chacun disposerait chaque jour d'un cube d'eau mesurant 46 mètres de côté ! Si toute cette eau était condensée, elle couvrirait la surface du globe d'une épaisseur de 2.5 cm. Cette quantité reste toutefois infime et ne représente qu'environ 12000 milliards de tonnes d'eau soit 12900 km3 d'eau et 0.001 % du volume total d'eau.

En masse, les océans ainsi que les mers intérieures, les lacs et autres fleuves - ce qu'on appelle l'hydrosphère - représente 0.022 % de la masse de la Terre (1.35 x 1021 kg contre 5.98 x 1024 kg) tandis que l'atmosphère contient 0.001 % du volume total d'eau, ce qui représente 0.000088 % soit 5.29 x 1018 kg de la masse de la Terre.

D'où vient toute cette eau ? La réponse est toujours incertaine et plusieurs hypothèses ont été émises. La première considère que lors de la formation du système solaire, les planétésimaux qui ont formé la Terre renfermaient énormement de gaz dont de l'hydrogène et des éléments légèrement plus lourds. A l'échelle planétaire ce réservoir de gaz était astronomique. Sous la chaleur du noyau le gaz emprisonné dans les roches s'est lentement échappé dans l'atmosphère primitive de la Terre puis se serait condensé sous forme de pluie sous l'effet du froid persistant en altitude. Cette période de pluies incessantes aurait duré des centaines de milliers voire quelques millions d'années, le temps nécessaire pour remplir les cavités océaniques sous plusieurs kilomètres d'eau (jusqu'à 10 km localement).

La seconde hypothèse considère qu'à l'origine la Terre ne contenait pas beaucoup d'eau. Elle aurait été percutée par des comètes ou des planétoïdes contenant énormement de glace d'eau et de gaz légers. Lors de l'impact, ces glaces et ces gaz se seraient évaporés dans l'air puis recondensés pour former les océans. Le taux d'impact a donc dû être très élevé durant les premiers centaines de millions d'années d'existence de la Terre pour remplir les bassins océaniques sous plusieurs kilomètres d'eau.

Plusieurs théories peuvent expliquer la présence d'eau sur Terre. La première qui est aussi la plus simple, considère que des comètes (et accessoirement les astéroïdes) sont entrées en collision avec la Terre à l'époque de sa formation. Selon une autre théorie, l'eau proviendrait non pas de l'extérieur mais de l'intérieur de la Terre suite notamment à l'interaction chimique entre l'hydrogène liquide et le quartz présents dans le manteau supérieur. Toutefois tous les mécanismes n'ont pas encore été étudiés et chaque théorie à ses partisans et ses détracteurs. A gauche, la comète de Bennett traversant le ciel crépusculaire le 4 mai 1970. Document Akira Fujii. A droite, un cristal de quartz qui sous certaines conditions de température et de pression et en présence d'hydrogène peut former et piéger de l'eau.

Enfin, il faut expliquer la présence d'eau dans le manteau supérieur de la Terre et notamment dans la ringwoodite. Des expériences ont été menées en 2014 par Ayako Shinozaki et son équipe de l'Université de Tokyo qui ont montré que de l'eau pouvait se former par dissolution de quartz en présence d'hydrogène liquide (H2) à haute pression et haute température. Dans cette expérience, les chercheurs travaillaient avec des pressions de 1.1 à 3.0 GPa (soit 10856 à 29607 atm) et des températures de 1127-1427°C (1400-1700 K).

Une expérience similaire mais théorique cette fois et plus complète fut réalisée peu après par les équipes dirigées par Niall English et Zdenek Futera de l'Universty College de Dublin. Ils ont simulé les réactions chimiques entre l'hydrogène liquide (H2) à haute pression et haute température présent dans le manteau et le dioxyde de silicium (SiO2) composant le quartz. Les résultats de leurs simulations publiés en 2017 dans les Earth and Planetary Science Letters montrent que de l'eau peut se former sous certaines conditions qu'on retrouve entre 40 et 400 km de profondeur sous la surface de la Terre. Cette réaction se produit à environ 1400°C et ~2 GPa (20000 atm) et génère de l'eau liquide et un hybride de silicium. Les simulations montrent qu'au départ l'hydrogène liquide diffuse à travers les couches de quartz. Ensuite l'eau se forme non pas en surface mais au coeur du minéral; l'eau reste prisonnière du quartz, entraînant une augmentation de la pression, c'est-à-dire que le milieu reste pressurisé. Selon les simulations, la pression pourrait atteindre 200000 atmosphères. Selon John Tse de l'Université de Saskatchewan au Canada qui participa à cette étude, de telles pressions peuvent engendrer des tremblements de terre. On ignore encore quelle quantité d'eau doit être libérée pour engendrer ces séismes à très grandes profondeurs.

On peut s'étonner de trouver de l'eau dans les roches. Rappelons que certains pierres fines comme les opales (opales noires et Welos) sont formées de silicium mélangées à de l'eau. La formation du minéral dépend d'une alternance de périodes humides (durant lesquelles l'hydrolyse permet à la silice de précipiter) et de périodes sèches (durant lesquelles l'eau s'évapore en formant des couches successives de calcédoine et de quartz), d'où l'opale tire ses couleurs qui comme pour toutes les pierres fines ou précieuses dépendent de la présence de certains ions métalliques.

Microphotographie d'une géode montrant de l'eau piégée au sein des cristaux. Document Dirk Wiersma/Science Photo Library.

Une autre étude publiée en 2017 dans Nature par Mario Fisher-Gödde et Thorsten Kleine de l'Université de Münster basée sur l'analyse des isotopes des météorites et de ceux du manteau de la Terre a également montré qu'il est peu probable que l'eau soit parvenue sur Terre par les comètes après la formation de la Terre comme on l'a longtemps supposé. En réalité, l'analyse des données suggère que l'eau de la Terre proviendrait avant tout de l'intérieur, bien qu'on ne sache pas encore exactement par quel mécanisme.

Selon Tse, l'eau formée dans le manteau terrestre peut remonter en surface de plusieurs manières parmi lesquelles la plus commune est le transport par le magma à travers l'activité volcanique. Il est possible que de l'eau soit encore créer de cette façon dans les profondeurs de la Terre et le même mécanisme pourrait aussi être à l'oeuvre sur les autres planètes telluriques.

Ceci dit, tous les spécialistes ne partagent par l'enthousiame soulevé par ces simulations. Ainsi, John Ludden du British Geological Survey estime que le mécanisme impliquant le dioxyde de silicium ne produirait de l'eau qu'à petite échelle et localement contrairement à l'apport d'eau par les comètes et autres astéroïdes durant les premiers âges de la Terre qui aurait été bien plus conséquent.

Il est difficile d'évaluer la pertinence de l'un ou l'autre modèle. Toutefois, a priori la théorie cométaire est plus séduisante, car elle expliquerait pourquoi la Terre est différente de Vénus par exemple ainsi que des autres planètes telluriques. Car l'argument considérant que sa distance au Soleil lui permet d'avoir de l'eau à l'état liquide n'est pas suffisant. Mars également bénéfice en été de température positive et Vénus comme Mercure ont très bien pu conserver de l'eau dans leur sous-sol (Mercure préservant d'ailleurs de la glace d'eau dans les régions du pôle Nord qui ne voient jamais les rayons du Soleil). Or aujourd'hui aucune de ces planètes ne contient d'eau libre. L'explication serait que l'eau nous tombant du ciel, la Terre a pu l'accumuler et donner naissance aux océans. Vénus à l'inverse ne contenait sans doute pas beaucoup d'eau au départ et celle-ci s'est définitivement évaporée et avec elle notre espoir d'y trouver d'éventuelles traces de vie fossilisées.

Si les comètes ont probablement participé à la formation des océans, il existe toutefois des preuves selon lesquelles deux parmi les comètes récentes les plus brillantes, Hyakutake (1996) et Hale-Bopp (1997) contredisent cette théorie ou du moins réduisent l'effet des comètes. En effet, la constitution isotopique de l'eau de mer (eau normale et eau lourde) n'est pas identique à celle de ces deux comètes. En extrapolant ces valeurs, on aboutit à la conclusion inévitable que l'eau de nos océans n'a pas pu contenir plus de 30 à 40 % d'eau cométaire. D'autres arguments viennent s'y ajouter tel le fait que ces comètes ne résidaient pas dans le plan du système solaire et n'auraient eu aucune chance de percuter la Terre. Il faut donc trouver d'autres comètes pour conforter cette théorie quelque peu controversée.

Par ailleurs, les recherches géologiques et astronomiques nous apportent les preuves que le bombardement cométaire sous forme d'averses a commencé longtemps après que la Terre se soit formée et refroidie. On en trouve les preuves dans la surface fortement cratérisée de la Lune, des autres planètes et des astéroïdes. Nous savons qu'après les premiers 100 millions d'années d'existence du système solaire, la Terre ainsi que les autres planètes connurent une ou deux périodes d'intense bombardement météoritique. C'est durant cette période cataclysmique que les comètes ont pu apporter leur eau glacée sur Terre qui se transforma finalement en océans, mais l'essentiel de l'eau a probablement été apportée par le dégazage des roches terrestres.

2. L'eau dans le système solaire

Grâce à l'exploration spatiale, nous savons aujourd'hui qu'il existe de l'eau (généralement sous forme de glace, parfois de vapeur) ailleurs que sur Terre, notamment sur les comètes, certains astéroïdes, probablement sur la lune Europe de Jupiter, sur les lunes de Titan, Phoebé et d'Encélade de Saturne, dans les calottes polaires de Mars, au fond de certains cratères lunaires du pôle Sud, même emprisonnée dans les météorites.

Image à contre-jour du satellite Encélade de Saturne obtenue en janvier 2005 par la sonde Cassini à 145000 km de distance. Elle révèle l'émission à partir du pôle Sud de jets de gaz dans l'atmosphère jusqu'à plus de 500 km d'altitude. Son atmosphère contient de la vapeur d'eau et on a détecté de la glace d'eau au pôle Sud. Ces jets pourraient donc être constitués de vapeur d'eau. Document NASA/JPL/Photojournal.

Ce n'est que récemment que les scientifiques ont révisé leurs hypothèse sur l'origine de cette eau. Ainsi que nous l'avons expliqué, on a longtemps cru que l'eau présente autour de nous s'était formée par condensation de la vapeur d'eau suite à l'oxydation de l'hydrogène présent dans la nébuleuse protosolaire.

Mais comme d'habitude en science, si l'idée paraît plausible et simple, dame Nature est beaucoup plus imaginative et fait appel à des mécanismes plus complexes et variés.

C'est une nouvelle fois une donnée extérieure à la Terre qui mit les chercheurs sur une piste prometteuse. En analysant la composition des météorites tombées sur Terre et des gaz cométaires, les chercheurs se sont rendus compte que le milieu interstellaire contenait toute l'eau dont nous avions besoin sans faire intervenir d'oxydation.

Dans le froid glacial qui baignait le système protosolaire, quelques centaines de Kelvins, la poussière était enrobée de glace. A mesure que le protosoleil se formait et que le nuage devenait plus dense, la chaleur centrale commença à irradier, vaporisant par sublimation la glace recouvrant les poussières. On estime qu'environ un million d'années plus tard, la vapeur d'eau se serait recondensée sur les poussières pour former des substances hydratées qui se sont ensuite accrétées pour former les différentes planètes et les autres astres du système solaire.

Le surplus de poussières glacées se serait accumulé en périphérie du système solaire pour donner naissance au Nuage de Oort duquel s'évade de temps en temps des comètes.

Cette théorie n'est qu'une hypothèse, mais elle a la faveur des astronomes car elle explique l'origine de l'eau présente dans le système solaire à la lumière des récentes découvertes. 

Cette origine interstellaire indiquerait que la présence d'eau n'est pas liée à une condition particulière présente dans l'environnement terrestre ou dans la zone habitable, mais serait au contraire une situation tout à fait normale du développement des étoiles et ses systèmes planétaires. En d'autres termes, il est tout à fait possible que nous découvrions des exoplanètes possédant de l'eau, et pourquoi pas, de l'eau liquide.

Puisque la Terre existe bien, pourquoi n'y en aurait-il pas d'autres ?... Infirmer cette idée en disant qu'il s'agit d'un cas exceptionnel dans l'univers n'est pas un argument recevable car il n'est pas démontré. 

En effet, il paraît plus probable que le hasard avance en aveugle et reproduise donc ailleurs des situations identiques à celle que nous connaissons sur Terre. En tous cas les probabilités et en particulier l'équation de Drake supporte cette hypothèse. Ce n'est bien sûr pas une preuve, ni même un indice, mais une théorie qui ne demande qu'une vérification in situ. A nous de rechercher ces traces avec les moyens que l'astronomie spatiale met à notre disposition. Nous y reviendrons en bioastronomie.

3. L'eau dans l'univers

Pour qu'il y ait de l'eau, il faut associer des atomes d'hydrogène et d'oxygène. Où trouve-t-on ces atomes dans l'univers, dans quels environnements survivent-ils ou sous quelles conditions se forment ces molécules d'eau ? Si nous pouvons répondre à ces questions, nous pourrons tenter de découvrir des environnements propices au développement de la vie.

Les radioastronomes nous disent que l'hydrogène est l'élément le plus abondant de l'Univers. Non seulement il représente la quasi totalité de la composition des étoiles comme celle du Soleil mais cet élément représente à lui seul au moins 70 % de toute la masse visible de l'Univers. 

On ne peut pas en dire autant de l'oxygène qui représente à peine 1 % de cette masse. Si l'eau existe dans l'univers, elle représente donc moins de 1 % de toute la matière visible.

Mais pour qu'il y ait de l'eau dans l'univers, et plus précisément dans les nuages interstellaires, deux conditions doivent être réunies sachant que l'eau se forme uniquement en phase gazeuse, selon deux mécanismes :

- A haute température, soit quelques milliers de Kelvins, le mécanisme est simple et rapide. L'hydroxyle OH et la molécule d'hydrogène étant abondants, la réaction est la suivante :

OH + H2 → H2O + H.

Le milieu doit être porté à haute température car cette réaction est endothermique, elle requiert un apport d'énergie. Cette énergie est fournie par l'énergie cinétique des molécules, voire par l'excitation vibrationnelle de la molécule H2 en présence de rayonnement UV. C'est la réaction typique qui se produit dans les nébuleuses par réflexion (M45, etc.) et les zones de chocs notamment. Evidemment, à ces températures l'eau n'existe que sous forme de vapeur.

- A basse température, entre 10-100 K (inférieure à -173°C) environ. Le milieu interstellaire ne doit pas être trop froid afin de permettre aux réactions de se produire à une vitesse raisonnable, ni trop chaud pour ne pas briser la molécule d'eau.

La réaction chimique se réalise en 6 étapes :

H + hν (rayon cosmique) → H+; H+ + O → O+ ; O+ + H2 → OH+

OH+ + H22O+ ; H2 O+ + H2 → H3O+ ; H3O+ + e → H2O.

C'est le mécanisme à l'oeuvre dans les nuages moléculaires denses (T~10 K) et les nuages diffus (T~100 K).

A basse température, le milieu doit être abrité des rayonnements nocifs notamment des UV car il dissocie les molécules. Donc pas d'espoir de trouver de l'eau près des nurseries stellaires constituées d'étoiles jeunes et bleutées ou au centre des galaxies irradiant des rayonnements intenses et souvent mortels.

Ces mécanismes sont décrits dans l'article de Dishoeck et van Black publié en 1986 par l'American Astronomical Society.

A ce jour, on estime la quantité d'eau existant dans l'univers à environ un millionième de la masse visible de l'Univers, c'est littéralement une goutte dans l'océan cosmique, mais une goutte aux proportions... astronomiques ! Voyez plutôt.

A lire : À la recherche de l'eau dans l'Univers, T.Encrenaz

Belin/Pour la Science, 2004

A gauche, traces d'eau dans le nuage protostellaire de la jeune étoile massive Gl 2591 comparé au modèle de la vapeur d'eau à 300 K (27°C). A droite, le satellite ISO a découvert de l'eau dans la nébuleuse planétaire NGC 7027 située à 2600 années-lumière dans le Cygne. Cette image a été prise par le Télescope Spatial Hubble en lumière blanche. Voici deux images prises en 1995 et en 1998. Il s'agit de deux composites IR et optique. Documents ISO/ESA et Hubble site.

Le satellite infrarouge ISO lancé dans les années 1990 a découvert des traces de vapeur d'eau, notamment dans l'atmosphère de la jeune protoétoile massive Gliese 2591 située à quelque 3260 années-lumière dans un nuage sombre de la région de Cygnus X. Cette région absorbe 70 magnitudes dans le spectre visible mais rayonne en infrarouge avec une luminosité équivalente à 20000 soleils ! La masse de cette région obscure est estimée à 44 M pour un rayon de 0.42 a.l.

La signature de l'eau fut découverte à la longueur d'onde de 6 microns où elle présente une température d'environ 27°C. Selon l'astronome Ewine Van Dishoeck de l'Observatoire de Leyde, sa concentration atteint environ 10 parties par million comparée à l'hydrogène, un rapport beaucoup plus élevé que la normale.

Le nuage étant en train de s'effondrer sur lui-même, cette eau présente sous forme de vapeur participe à la dissipation de la chaleur du coeur du nuage et favorise la formation de l'étoile.

ISO a également découvert de la glace d'eau ainsi qu'un peu de dioxyde de carbone dans la nébuleuse d'émission NGC 7538, un nuage moléculaire compact situé à 10000 années-lumière entourant une jeune protoétoile dans la constellation de Céphée (près de M52). Des émissions masers de la molécule d'eau à 22 GHz ainsi que du formaldéhyde (H2CO à 6 cm) ont également été détectés dans cette nébuleuse par le VLA et MERLIN.

Selon les mesures infrarouge réalisées par l'équipe du Dr. Göran Sandell du centre Ames de la NASA (ARC), cette protoétoile aurait une masse comprise entre 20 et 40 Ms et serait entourée d'un disque de poussière en rotation d'un diamètre équivalent à 1000 fois celui du système solaire. L'étoile en formation n'a pas encore eu le temps de réchauffer le gaz environnant et représente donc la seule protoétoile entourée d'un nuage froid. Le disque central émet actuellement un jet de gaz à haute vitesse perpendiculairement au disque. On estime que ce phénomène qui participe à la libération du surplus de moment angulaire de la protoétoile aurait débuté il y a à peine 2000 ans.

A lire : La formation du système solaire

Détection de disques protoplanétaires

NGC 7538 dont voici une image infrarouge et le disque protostellaire qu'elle abrite. Le disque de poussière est codé en vert/turquoise et le disque protostellaire en jaune. Les lignes de contours représentent la trace de l'HCN et son effet Doppler (bleu se rapprochant, rouge s'éloignant de nous). A la même échelle, le système solaire est mille fois plus petit. Documents NOAO/AOP et BIMA/UMD.

De l'eau a également été détectée dans la nébuleuse planétaire NGC 7027 située à 2600 années-lumière dans le Cygne ainsi que dans les couches supérieures des étoiles froides des dernières classes spectrales (W Hydrae, HH 54, etc). Les raies de la molécule d'eau ont également été découvertes dans des galaxies situées à plus de 1.5 milliards d'années-lumière. Autrement dit, l'eau est non seulement aussi vieille que les planètes mais elle est présente dans tout l'univers dans des proportions relativement importantes, ce qui est un indice favorable au développement de la vie ailleurs dans l'univers.

ISO et tous les télescopes infrarouges tel le Spitzer (ex-SIRFT) offrent ici un avantage sur l'astronomie optique ou la radioastronomie car ils permettent de détecter le rayonnement thermique des nuages de poussières enrobés de glace, qu'elle soit constituée d'eau, de monoxyde de carbone ou du méthanol (alcool méthylique), des substances qui sont indétectables par les observatoires terrestres.

A l'heure actuelle, les analyses effectuées dans le rayonnement infrarouge confirment que la glace interstellaire est présente en proportion plus importante que les composés carbonés. La tâche actuelle des astronomes consiste à comparer la proportion de ces matériaux volatiles glacés avec ceux que l'on trouve dans le système solaire.

Reste également à préciser le mécanisme par lequel l'eau est apparue dans les nuages interstellaires car si on peut expliquer ce phénomène on comprendra peut-être d'où vient la glace présente dans l'univers et de quelle manière ce type de nuage a donné naissance au système solaire et en corollaire à toute l'eau présente sur Terre.

Prochain chapitre

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