Des atomes de fer 60, produits lors d’explosions stellaires, permettent de remonter le fil de l’histoire de notre environnement galactique. Leur présence dans la glace antarctique révèle une variation inattendue de la poussière interstellaire atteignant la Terre.
Quand vous pensez à l’espace, vous imaginez sans doute des étoiles, des planètes et des satellites. Pourtant, une grande partie de l’espace est remplie de nuages de gaz, de plasma et de poussières d’étoiles, appelés nuages interstellaires.
Rien que dans les régions proches de notre galaxie, on recense environ 15 nuages interstellaires distincts. Le Système solaire traverse actuellement l’un d’entre eux, baptisé de façon évocatrice le Nuage interstellaire local. On pense que l’origine et l’histoire de ces nuages sont étroitement liées à la naissance et à la mort des étoiles. Mais leurs traces sont également visibles ici même sur Terre, dans un endroit où l’on ne s’attendrait pas forcément à les trouver : la glace de l’Antarctique.
Mes collègues et moi étudions depuis plusieurs années la poussière d’étoiles piégée dans d’anciennes couches de neige et de glace antarctiques afin de retracer l’histoire de notre voisinage cosmique, y compris celle du Système solaire lui-même.
Dans une nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/nxjq-jwgp), nous avons mis en évidence un indice subtil qui révèle le déplacement de notre Système solaire à travers son environnement interstellaire local au cours des 80 000 dernières années.
Regarder le ciel en regardant vers le bas
L’astronomie consiste généralement à lever les yeux au ciel. Les télescopes collectent la lumière provenant d’étoiles et de galaxies lointaines, ce qui nous permet d’observer des événements sur d’immenses distances dans l’espace et le temps. À partir de ces observations, nous déduisons comment les étoiles naissent et meurent, comment les éléments chimiques se forment et comment l’Univers évolue.
Notre approche (https://theconversation.com/dust-from-exploding-stars-is-raining-down-on-earth-i-hunt-it-to-learn-how-the-elements-were-made-162242) renverse cette logique.
Au lieu d’étudier la lumière qui nous parvient, nous examinons les débris d’étoiles ayant explosé, directement ici sur Terre. Véritables fournaises cosmiques, les étoiles fabriquent dans leur cœur de nombreux éléments chimiques, du carbone et de l’oxygène jusqu’au calcium et au fer. Elles produisent également des isotopes rares (des variantes d’un même élément chimique), comme le fer 60.
Lorsque des étoiles massives explosent en supernovæ à la fin de leur existence, ces éléments sont projetés dans l’espace et deviennent de la poussière interstellaire.
De minuscules grains de cette poussière dérivent ensuite à travers la galaxie et finissent parfois par atteindre la surface de la Terre. Du fer 60 radioactif, véritable signature des explosions stellaires, est piégé à l’intérieur de ces grains. En recherchant ces atomes dans les archives géologiques terrestres (https://doi.org/10.1140/epja/s10050-025-01554-0), nous pouvons étudier des événements astrophysiques tels que les supernovæ, longtemps après que leur lumière s’est éteinte.
C’est ce qui rend l’Antarctique si précieux. Sa neige s’accumule lentement et reste en grande partie préservée des perturbations, formant une sorte d’enregistrement stratifié qui remonte sur des dizaines de milliers d’années. Chaque couche conserve une photographie du matériau présent dans notre voisinage cosmique à l’époque où elle s’est formée.
À la recherche de poussière d’étoiles dans la glace antarctique
Alors que nous étudions 500 kg de neige récente en Antarctique, nous avons découvert de manière inattendue cet isotope radioactif rare. D’où provenait-il ? Aucune supernova proche de la Terre ne s’était produite récemment.
Mais notre voisinage cosmique est rempli de 15 nuages interstellaires, et le Système solaire en traverse actuellement au moins un. La poussière d’étoiles serait-elle présente dans ces nuages avant d’être captée par la Terre ? Si c’est le cas, alors la quantité de poussière d’étoiles recueillie par notre planète devrait être liée à leur structure : plus ces nuages sont denses, plus ils contiennent de fer 60. C’était notre hypothèse en 2019 (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.072701).
Très vite, d’autres explications ont été avancées. Il y a plusieurs millions d’années, la Terre a reçu d’importantes pluies de fer 60 provenant de supernovæ massives (https://doi.org/10.1038/nature17196). Le fer 60 retrouvé dans la neige antarctique serait-il le dernier vestige, ou l’écho affaibli, de ce signal ancien ? Une pluie devenue simple bruine ?
Pour le vérifier, nous avons analysé une section de 300 kg de glace antarctique datant de 40 000 à 80 000 ans. Le processus est extrêmement minutieux. La glace doit être fondue puis traitée chimiquement afin d’isoler d’infimes quantités de fer, y compris le fer 60 contenu dans la poussière d’étoiles.
Nous avons ensuite utilisé la spectrométrie de masse par accélérateur, une technique extrêmement sensible permettant de compter les atomes individuellement, au sein du Heavy-Ion Accelerator Facility de l’Australian National University. Nos analyses ont consisté à dénombrer un à un les atomes de fer 60. Sur la base des mesures précédemment réalisées dans la neige de surface antarctique et dans des sédiments océaniques vieux de plusieurs milliers d’années, nous nous attendions à observer un niveau relativement stable de dépôt de fer 60.
Or, nous en avons trouvé moins. Pas zéro, mais une quantité nettement inférieure à celle que nous attendions.
Ce résultat suggère qu’une moindre quantité de poussière interstellaire atteignait la Terre à cette époque. Cette variation est remarquable, car elle s’est produite sur une période relativement courte à l’échelle de l’astrophysique. Elle ne correspond pas au scénario des dépôts de fer 60 issus des supernovæ qui ont atteint la Terre il y a plusieurs millions d’années, un phénomène qui s’inscrit, lui, sur des durées bien plus longues. Nous avons donc dû chercher une source plus modeste et plus locale pour expliquer la présence de cet isotope.
NASA/JPL-Caltech
Une histoire qui tombe à point nommé
Naturellement, les astronomes s’intéressent aussi de près aux nuages qui entourent le Système solaire. L’an dernier, une étude reconstituant l’histoire de ces nuages a conclu qu’ils provenaient très probablement d’une explosion stellaire (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adc920). Les chercheurs ont également estimé que le Système solaire traverse le Nuage interstellaire local depuis une période comprise entre 40 000 et 124 000 ans (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/adb033).
Si cette hypothèse est correcte, alors la quantité de fer 60 recueillie sur Terre aurait dû varier au cours de cette même période, c’est-à-dire entre 40 000 et 124 000 ans avant aujourd’hui.
C’est ce que montrent nos résultats obtenus en Antarctique.
L’histoire ne s’emboîte toutefois pas parfaitement. Si ces nuages provenaient directement d’une étoile ayant explosé, nous devrions observer dans la glace antarctique des quantités de fer 60 bien plus importantes que celles que nous mesurons réellement.
Malgré cela, la trace de ces nuages est bien inscrite dans les archives géologiques terrestres. En remontant plus loin dans le temps et en analysant des glaces encore plus anciennes, nous pourrions bientôt percer le mystère de ces nuages interstellaires locaux et reconstituer plus complètement leur histoire ainsi que leurs origines encore incertaines.
