SONDES IONIQUES DU CRPG - PROJETS SCIENTIFIQUES

 

Météorites : processus présolaires

METEORITES: évolution du système solaire

Etude des chondres comme témoins des réactions solides - gaz, des processus d'accrétion et de différenciation primitifs, lors de l'accrétion du système solaire.
Etude des sols lunaires : enregistrement de l'activité solaire par le lithium des sols lunaires…

L'ACTIVITE DU SOLEIL TELLE QU'ELLE EST ENREGISTREE PAR LE LITHIUM DES SOLS LUNAIRES

L'élément chimique lithium est constitué par le mélange de deux isotopes non radioactifs de masse 6 et 7, dans des concentrations moyennes sur Terre d'environ 92,5 % pour le 7Li et de 7,5 % pour le 6Li. Dans les théories actuelles décrivant la fabrication des éléments chimiques au cours de l'évolution de l'Univers, le 7Li est fabriqué lors de plusieurs étapes: (1) pendant les quelques premières minutes du Big-Bang, (2) dans certaines étoiles massives et (3) dans le milieu interstellaire lors de collisions entre des atomes rapides et des atomes au repos. Le 6Li, quant à lui, est essentiellement produit dans le milieu interstellaire en même temps que le 7Li. Notre travail nous a conduit à identifier une nouvelle source de lithium : la surface du Soleil.

Il est admis que les deux isotopes du lithium sont détruits efficacement dans les étoiles, comme le Soleil, au cours des réactions de fusion thermonucléaire. En effet, les températures de destruction nucléaire du lithium sont atteintes à proximité de la surface du Soleil pour le 6Li (qui " brûle " à 0,8 million de degrés) et à environ 30% de la profondeur totale du Soleil pour le 7Li (qui " brûle " vers 2,5 millions de degrés). La physique du Soleil indique que des mouvements de convection, dont une manifestation visible est la granulation (taches sombres et claires apparaissant à la surface du Soleil) entraînent les constituants de la surface du Soleil (la photosphère) à des profondeurs qui sont précisément voisines de ces 30% (c'est-à-dire à la limite entre la zone radiative et la zone de convection). Les observations indiquent que cette circulation est excessivement rapide, de l'ordre de quelques jours à quelques mois pour un cycle de convection. Il est donc logique de s'attendre à ce qu'une grande partie du lithium initialement présent dans le Soleil ait été détruite au cours des 4,5 derniers milliards d'années.

Cette première prédiction théorique a pu être vérifiée depuis longtemps grâce à l'analyse de la lumière en provenance du Soleil (la spectroscopie qui permet de mesurer précisément les concentrations des éléments chimiques) qui indique une concentration en lithium environ 200 fois plus faible que celle du gaz qui a donné naissance au Soleil. La seconde prédiction était la suivante : la faible quantité de lithium "survivant" dans le Soleil devait être presque uniquement du 7Li (en fait avec un rapport 7Li/6Li > 106) puisque le 6Li est détruit à bien plus basse température que le 7Li. Cette prédiction n'avait jamais pu être testée car les techniques spectroscopiques ne permettent pas de mesurer séparément les concentrations du 6Li et du 7Li. C'est cette prédiction que nous avons voulu vérifier en mesurant le rapport 7Li/6Li dans le lithium du " vent solaire ".

Le vent solaire est une émission continuelle d'atomes électriquement chargés provenant de l'atmosphère du Soleil. Ils quittent le Soleil, se propagent dans le vide du milieu interplanétaire et ont des compositions chimique et isotopique voisines de celles de l'étoile. La Lune étant dépourvue d'atmosphère, ces atomes bombardent la surface du sol lunaire et s'implantent dans la roche sur des profondeurs de quelques centièmes de microns (environ 30 nm). Jusqu'à présent seuls les éléments volatils (gaz rares, N et C) ont pu être extraits en laboratoire, par chauffage sous vide, des sols ramenés par les missions lunaires Apollo. Quant aux éléments non volatils (dont le Li), les techniques d'extraction par voie humide (dissolution de la roche par des acides) ne sont pas sélectives de sorte que les atomes du vent solaire, présents en très faibles quantités, n'ont jamais pu être séparés de ceux de la roche lunaire. Dans notre expérience (analyse par sonde ionique), les grains lunaires sont bombardés par un faisceau d'ions qui balayent une grande surface (100 mm2) de l'échantillon. Grâce à ce protocole analytique les quelques premières couches atomiques des grains lunaires sont détruites et les constituants solaires qu'elles renferment sont libérés dans le spectromètre de masse de la sonde ionique qui permet la mesure du rapport isotopique 7Li/6Li.

Nos analyses montrent (1) que les quantités extraites de lithium représentent une dose d'irradiation du sol par le Soleil typiquement équivalente à 100 millions d'années et que (2) contrairement aux prédictions théoriques, le rapport 7Li/6Li du vent solaire vaut 31 ± 4. Le Soleil est donc "riche" en 6Li.

Cette surabondance de 6Li dans le Soleil reflète probablement un processus nucléaire de fabrication in situ du 6Li. Les calculs montrent qu'une production importante de 6Li et de 7Li (avec un rapport 7Li/6Li = 2) est envisageable via l'interaction entre des particules de grande énergie issues de la profondeur du Soleil (les "flares" qui sont essentiellement des protons > 10 MeV) et le gaz (notamment les noyaux d'oxygène) constituant l'atmosphère solaire. Outre son intérêt pour comprendre l'activité nucléaire du Soleil, la présence de 6Li à sa surface démontre que la vitesse de fabrication du lithium est nécessairement plus rapide que celle de sa destruction par le recyclage en profondeur. Par conséquent, le rapport 7Li/6Li doit permettre aussi de préciser les vitesses des courants de convection solaire.

De nouvelles études sont en cours sur des échantillons lunaires ayant résidé à la surface de la Lune sur des périodes différentes. Ces échantillons devraient pouvoir nous renseigner sur la variation des taux de production et de recyclage du Li dans le Soleil au cours des 4,5 derniers milliards d'années. Ce résultat sur la composition isotopique du Li du vent solaire ne saurait mieux illustrer les conséquences inattendues et pluridisciplinaires découlant de petites avancées technologiques appliquées à des échantillons exceptionnels. (Nature, 1999, 402,270-273)


Météorites : évolution du système solaire

Evolution de la lithosphère et du manteau

Paléomarqueurs et érosion

Datations

Stabilisation des polluants

Emeraudes