Le rôle inattendu du fer dans la formation du Système solaire

Les atomes qui composent notre corps, notre planète et même notre Soleil ont été forgés au cœur d'étoiles aujourd'hui disparues. Depuis les travaux pionniers de l'astrophysique nucléaire au milieu du XXe siècle, nous savons en effet que les éléments chimiques sont produits dans les étoiles puis dispersés dans l'espace lors de leur mort. Cette matière enrichit le milieu interstellaire, vaste réservoir de gaz et de poussières à partir duquel se forment de nouvelles générations d'étoiles et de systèmes planétaires.

Au sein de ce milieu interstellaire, une fraction importante de la matière solide est constituée de grains de poussière silicatés. Ces poussières sont continuellement exposées aux rayonnements cosmiques, aux ondes de choc produites par les explosions stellaires et aux collisions entre particules. Ces agressions tendent à désorganiser leur structure atomique. Les silicates y sont donc majoritairement présents sous forme amorphe, c'est-à-dire dépourvue de l'ordre régulier qui caractérise un cristal.

Pourtant, lorsque les astronomes observent les disques de poussière entourant les jeunes étoiles — les régions où se forment les futures planètes — ils détectent une proportion significative de silicates cristallisés. Parmi eux figure l'olivine, l'un des minéraux les plus abondants de l'Univers. Comment ces poussières désordonnées du milieu interstellaire se transforment-elles en cristaux ? Cette question est au cœur de notre compréhension de l'évolution de la matière depuis les étoiles jusqu'aux planètes.

Pour y répondre, les chercheurs reproduisent en laboratoire certaines étapes de l'histoire thermique des poussières cosmiques. En chauffant des analogues d'olivine amorphe et en observant leur évolution à l'aide de microscopes électroniques capables d'imager la matière à l’échelle atomique, ils peuvent suivre en direct les premières étapes de la cristallisation. Jusqu'à présent, la plupart des études utilisaient toutefois des compositions simplifiées, pauvres en fer, alors que cet élément est omniprésent dans les silicates naturels.

L'étude a montré que la présence de fer accélère considérablement la cristallisation de l'olivine. Grâce à une combinaison au microscopie électronique en transmission d'analyses chimiques et structurales à très haute résolution, les chercheurs ont pu identifier le mécanisme responsable de cet effet. Lors du chauffage, le fer se regroupe localement pour former de minuscules nanoparticules d'oxyde de fer. Ces particules agissent comme des germes sur lesquels les cristaux d'olivine peuvent se développer beaucoup plus facilement.

Ce résultat apporte une explication physique à une observation connue depuis longtemps mais restée énigmatique. Il suggère également que le fer a pu jouer un rôle important dans l'évolution des poussières silicatées présentes dans les disques protoplanétaires et, par conséquent, dans les premières étapes de la formation du Système solaire.

P. Cordier et al, The Astrophysical Journal, doi: 10.3847/1538-4357/ae71bd.