Chronologie et origine des premiers solides dans le jeune Système Solaire – CASSYSS

Afin de répondre aux objectifs de CASSYSS, nous avons réalisé des développements analytiques permettant de repousser les limites techniques et d'étudier la plupart des solides anciens. CASSYSS est un projet multidisciplinaire innovant et ambitieux mêlant une approche pétrologique, cosmochimique, expérimentale et astrophysique.
La caractérisation pétrographique, microstructurale, chimique et isotopique des inclusions réfractaires et des chondres des chondrites carbonées, ordinaires et enstatites sélectionnés pour ce projet est réalisée en combinant des techniques complémentaires de haut niveau : microscopie électronique à balayage (MEB, MEB-FEG), spectrométrie de masse plasma à couplage inductif par ablation laser (LA ICPMS), cathodoluminescence (CL), microscopie électronique en transmission (MET), microanalyse par sonde électronique (EPMA), diffraction des rayons X (rayons X) et sonde ionique (MC-SIMS).
La complexité des matériaux extraterrestres nécessite une sélection rigoureuse d'échantillons afin de répondre à des questions scientifiques spécifiques. Au vu des enjeux abordés dans le projet CASSYSS, nos recherches porteront sur les chondrites carbonées CO, CR, CM et CV, les chondrites ordinaires H, L et LL et les chondrites enstatites EH et EL les moins altérées possible. Par conséquent, en choisissant des échantillons de chondrites pertinents au sein de ces groupes, nous assurons une sélection représentative de la diversité des inclusions réfractaires et des chondres. Nous avons déjà à notre disposition de nombreux échantillons de chondrites qui seront utilisés pour ce projet et des échantillons supplémentaires seront obtenus dans un proche avenir à partir des collections des musées nationaux d'histoire naturelle de Paris et de Vienne.

Le projet CASSYSS a d'ores et déjà aboutit à la publication de résultats majeurs quant à la compréhension de la formation des premiers solides dans le disque d'accrétion.
- Des mesures de compositions isotopiques en Si dans les AOAs (condensats de hautes températures dans le disque protoplanétaire) indiquent des vitesses de condensation extrêmement rapide, de l'ordre de quelques semaines, impliquant une formation lors d'épisodes de haute température brefs et localisés dans un disque d'accrétion dynamique et thermiquement hétérogène (Marrocchi et al., PNAS 2019)
- Des mesures isotopiques du Si dans les chondres des météorites carbonées montrent des variations importantes nécessitant une formation rapide et à haute température de ces objets en système ouvert par interaction entre des précurseurs solides, dont des condensats de type AOAs, et un gaz enrichi en SiO caractéristique d'un fort enrichissement en poussière comparativement aux conditions canoniques de la nébuleuse protosolaire (Villeneuve et al., EPSL 2020).

Le travail de caractérisation pétrographique, chimique et isotopique des échantillons d'inclusions réfractaires et de chondres choisis pour ce projet avance très convenablement, en accord avec les prévisions. Les résultats obtenus ont déjà fait l'objet de 3 publications dans des revues de rang A (Marrocchi et al., 2019; Villeneuve et al., 2019, 2020) et 3 autres sont actuellement en cours de rédaction (Piralla et al., in prep.; Schnuriger et al., in prep). Ces travaux nous ont permis d'identifier plusieurs populations d'objets dans plusieurs familles de météorites primitives montrant à la fois des mécanismes de formation différents et des liens génétiques variables. Bien que moins avancés, car reposant sur les résultats et observations du premier volet, les travaux des tâches portant sur l'histoire thermique et le redox des chondres et la chronologie de formation sont également bien lancés conformément au calendrier prévisionnel. Ces deux volets concentrent la majeure partie des travaux de thèse des deux étudiants (M. Piralla et M. Schnuriger) qui ont été recrutés en octobre 2019. Sur la prochaine période de 18 mois, il est prévu de finaliser les travaux du premier volet avec la caractérisation de microstructures cibles de nos échantillons et la publication des derniers résultats. En parallèle, le gros du travail analytique portera l'acquisition et le traitement des résultats sur les conditions thermiques et redox de formation des chondres et la chronologie de formation des premiers solides.

1. Villeneuve, J., Marrocchi, Y., & Jacquet, E. (2020). Silicon isotopic compositions of chondrule silicates in carbonaceous chondrites and the formation of primordial solids in the accretion disk. Earth and Planetary Science Letters, 542, 116318.
2. Marrocchi, Y., Villeneuve, J., Jacquet, E., Piralla, M., & Chaussidon, M. (2019). Rapid condensation of the first Solar System solids. PNAS, 116(47), 23461–23466.
3. Villeneuve, J., Chaussidon, M., Marrocchi, Y., Deng, Z., & Watson, E. B. (2019). High-precision in situ silicon isotopic analyses by multicollector secondary ion mass spectrometry in olivine and lowcalcium pyroxene. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 33, 1589–1597.

Les inclusions réfractaires (inclusions riches en Ca et Al, agrégats d’olivines amoeboïdales) et les chondres que l’on observe dans les météorites primitives (chondrites) sont les plus anciens solides formés durant les premiers millions d’années de l’histoire du Système Solaire. Ils sont le résultat de processus de condensation et/ou fusion à haute température dans le disque protoplanétaire. Ces solides primordiaux sont les briques élémentaires à partir desquelles sont formés des corps de plus grande taille et qu’ont pu s’accréter des embryons planétaires. Ainsi, pour comprendre la dynamique d’évolution du disque protoplanétaire ainsi que la formation des planétésimaux il est indispensable de déchiffrer l’origine, la chronologie et les processus de formation des inclusions refractaires et des chondres. Bien qu’abondamment étudiés lors des dernières décennies leur processus de formation demeure énigmatique et controversé en raison notamment de limitations techniques introduisant des biais d’échantillonnage et du faible nombre d’études couplant des approches multi-instrumentales. Le projet CASSYSS propose d’aborder cette problématique scientifique au travers d’une approche innovante et ambitieuse couplant la pétrologie, la cosmochimie, l’expérimentation et l’astrophysique. Ce projet s’appuie d’une part l’étude exhaustive d’un échantillonnage représentatif de chondres et inclusions réfractaires provenant de chondrites carbonées, ordinaires et à enstatite peu altérées et d’autre part sur des développements analytiques réalisés récemment au CRPG permettant d’étudier la plupart des solides primordiaux. Il fournira la toute première base de données précise et non-biaisée de chronologie de formation des premiers solides formés dans le Système Solaire, couplée à une caractérisation pétrographique, chimique, isotopique et microstructurale complète. Les résultats de CASSYSS vont avoir des implications de premier ordre en cosmochimie, planétologie et astrophysique.