Du lourd dans l’atmosphère des comètes

Dans Omni Sciences
Article Henri DUPUIS

Entre l’université de Liège et les comètes, c’est une vieille histoire d’amour. Cela fait plusieurs décennies que les astrophysiciens liégeois les étudient. Il faut dire que les comètes sont bien davantage que de gros cailloux qui se baladent dans l’espace. Ce sont plutôt des “boules de neige sale” de quelques kilomètres de diamètre, formées de glaces (glace d’eau surtout, mais aussi glaces de CO et de CO2) et de poussières, qui se déplacent autour du Soleil sur des orbites très allongées, les emmenant loin de celui-ci. À ce moment, rien ne les différencie des astéroïdes : elles sont inertes et restent invisibles.

Mais il en est tout autrement lorsqu’elles approchent du Soleil. Elles se réchauffent, leurs matériaux volatiles commencent à sublimer (transformation d’un solide en gaz sous l’effet de la chaleur), libérant ainsi des gaz et des poussières formant la chevelure, ou l’atmosphère, qui entoure le noyau solide de la comète. Sous l’action du Soleil, cette matière va s’étirer dans l’espace et former en général deux queues : l’une de couleur jaunâtre et souvent courbée est constituée des fines poussières emportées hors du noyau ; l’autre, bleue, est composée de gaz ionisés par les rayons UV du Soleil.

« Notre équipe s’est spécialisée dans l’étude de la composition chimique des comètes, explique Emmanuel Jehin, maître de recherches FNRS au sein de l’unité de recherches Star de l’ULiège et cosignataire de l’article dans Nature, avec Jean Manfroid et Damien Hutsemékers de la même unité. Nous utilisons entre autres les télescopes TRAPPIST de l’ULiège mais aussi le Very Large Telescope (VLT) de l’Observatoire européen austral (ESO) situé au Chili, et plus précisément depuis une vingtaine d’année, son spectrographe à haute résolution UVES (Ultraviolet and Visual Echelle Spectrograph) pour nos recherches les plus détaillées. »

Cet instrument permet d’enregistrer l’ensemble des raies spectrales émises dans le visible et l’ultraviolet proche. Ces raies sont les signatures uniques de chaque élément chimique, molécule ou atome, qui se trouve dans l’atmosphère des comètes. Et c’est en observant un de ces spectres que l’étude des comètes a fait un bond en avant. « Nous examinions le spectre de la comète C/2016 R2, découverte en 2016, et qui est passée à son point le plus proche du Soleil en décembre 2018, lorsque nous avons remarqué des raies d’émission très faibles dans une partie du spectre qu’on n’avait jamais examinée auparavant. Des raies que nous avons identifiées comme appartenant au fer (Fe) et au nickel neutre (Ni) et que nous avons pu trouver dans toutes les comètes que nous avions observées depuis une vingtaine d’années. C’était totalement inattendu ! », se souvient Emmanuel Jehin.

Du fer et du nickel gazeux

En effet, pour sublimer des métaux comme le fer et le nickel solide, il faut atteindre des températures très élevées (plus de 1500°C), ce qui ne peut se produire que si la comète passe très près du Soleil. C’est ce qui avait été observé en 1965 par un autre astrophysicien liégeois, Claude Arpigny, avec la comète Ikeya-Seki. La comète avait alors été portée à des températures extrêmes car elle avait frôlé la surface du Soleil, ce qui, d’ailleurs, a entraîné sa désintégration. « Mais nous ne sommes pas du tout dans ce cas de figure », précise Emmanuel Jehin.

Toutes les comètes étudiées avec le VLT, une vingtaine au total, étaient bien trop éloignées du Soleil, à des centaines de millions de kilomètres dans certains cas, et donc elles étaient trop froides pour sublimer le fer et le nickel sous forme métallique. Toutes les comètes de l’échantillon étudié à Liège, aussi loin soient-elles, présentent ces deux éléments dans leur atmosphère et ce, même si elles sont observées dans des régions très froides, loin du Soleil.

« Nous avons bien sûr regardé aussi ce qu’il en était pour la première comète interstellaire, 2I/Borisov, qui nous a rendu visite en 2019, sourit Emmanuel Jehin. Bingo : les mêmes raies apparaissent, ce qui vient de faire l’objet d’une seconde publication de notre équipe ! ».

2I/Borisov ? Il s’agit d’une comète découverte le 30 août 2019 par un astronome amateur (Gennady Borisov) depuis la Crimée et la seule comète “venue d’ailleurs” connue à ce jour. Elle a été façonnée autour d’une autre étoile que le Soleil (mais on ne sait pas où exactement !), puis éjectée de son système pour parcourir probablement la galaxie depuis des millions d’années avant de traverser le système solaire. Et elle aussi pose les mêmes problèmes aux astrophysiciens…

Une origine encore mystérieuse

« Cette découverte aurait pu être faite bien plus tôt, mais personne ne s’attendait à voir des atomes métalliques libres dans l’atmosphère des comètes », explique Emmanuel Jehin. En effet, le fer et nickel qui se trouvent dans la matière du noyau cométaire sous forme de grains réfractaires ne devraient pas être présents sous forme gazeuse dans l’atmosphère des comètes parce qu’elles restent bien trop éloignées du Soleil et trop froides. Cependant, les noyaux des comètes contiennent des glaces à raison de 50% de leur masse et ces glaces subliment (passent de l’état solide à l’état gazeux) à bien plus basse température et sont responsables de l’activité cométaire. Ainsi, la glace de CO par exemple commence à sublimer à seulement 25K (env. -250°C), bien au-delà de Pluton, mais c’est quand la comète se rapproche encore plus qu’elle arrive à la hauteur de Mars, que la glace d’eau – de loin la plus abondante (80% des glaces en moyenne) – se met elle aussi à sublimer (vers 175 K, env. -100°C). La comète devient alors très active, pouvant même devenir visible à l’oeil nu.

Autre particularité à expliquer : les quantités respectives des deux métaux. « Lors de nos mesures, continue Emmanuel Jehin, nous avons trouvé un rapport identique entre la quantité de Ni et de Fe alors que dans le système solaire, par exemple l’atmosphère du Soleil ou la croûte terrestre, on observe en général dix fois plus de fer que de nickel ».

Comment expliquer ces observations étonnantes ? Pour répondre à ces questions, les chercheurs liégeois ont imaginé que le fer et le nickel étaient disséminés à la surface du noyau de la comète au sein de “molécules mères” de type organométalliques et plus particulièrement deux carbonyles, le Fe(CO)5 et le Ni(CO)4. « Nous avons en effet calculé une température de sublimation de l’ordre de 75K (env. -200°C) pour ces deux molécules, se réjouit Emmanuel Jehin. Cela signifie que si du fer et du nickel sont piégés dans ce type de composés, ils pourront être libérés dans l’espace, même à basse température. Cela permet aussi d’expliquer les quantités semblables de fer et de nickel car nous avons calculé que le carbonyle de Ni s’évapore plus facilement que celui de Fe. Cette évaporation plus importante va compenser la teneur moindre en nickel. »

Il reste qu’il s’agit là d’une hypothèse, parce que la présence de tels carbonyles dans le noyau des comètes n’a encore jamais été observée, même si on en cherche les traces un peu partout, dans le milieu interstellaire comme dans les météorites. « Ils pourraient en effet être importants en astrobiologie, précise Emmanuel Jehin, car ils véhiculent à la fois de la matière organique et des atomes métalliques qui entrent en jeu dans la fabrication du vivant. Or les comètes auraient pu amener l’eau sur Terre entre autres et comptent parmi les objets les plus anciens du système solaire. Plus on en sait sur leur composition chimique, mieux nous comprendrons les premières phases du système solaire, la formation des planètes et les conditions d’apparition de la vie sur Terre. » Mais pas seulement dans le système solaire puisque 2I/Borisov présente les mêmes caractéristiques… De quoi relancer l’étude des comètes.


Manfroid J., Hutsemékers D. et Jehin E., “Iron and nickel atoms in cometary atmospheres even far from the Sun”, Nature, mai 2021.

Hutsemékers D., Manfroid J., Jehin E. et al., "FeI and NiI in cometary atmospheres. Connections between the NiI/FeI abundance ratio and chemical characteristics of Jupiter-family and Oort-cloud comets.", Astronomy and Astrophysics, août 2021

Opitom C., Jehin E., Hutsemékers D. et al., "The similarity of the interstellar comet 2I/Borisov to Solar System comets from high-resolution optical spectroscopy",  Astronomy and Astrophysics, juin 2021

Partager cet article