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Origine de l'eau
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 ringwoolite 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. Ainsi que nous le verrons lorsque nous étudierons les propriétés de l'eau et sa présence ailleurs dans l'univers (Lune, comète, nuages interstellaires, etc), 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.
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. 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. 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 températire 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 + hn (rayon cosmique) → H+; H+ + O → O+ ; O+ + H2 → OH+ ; OH+ + H2 → H2O+ ; H2O+ + 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. 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 Ms 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. A lire : À la recherche de l'eau dans l'Univers, T.Encrenaz Belin/Pour la Science, 2004
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
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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