Deep Impact ou comment faire parler une comète...

Par Hervé Cottin et Didier Despois

Les comètes comptent parmi les corps les plus mystérieux du Système Solaire. Pour qui saura décrypter leur composition, elles détiennent la double clé de l’histoire de nos origines : origine du Système Solaire, mais aussi peut être origine de la vie sur la Terre. Saint Graal des planétologues et des exobiologistes, pourquoi et comment faire parler les comètes ? En quoi la mission DEEP IMPACT peut-elle nous faire progresser dans la compréhension de ces objets ?

1) L’origine des comètes

.Les comètes, tout comme les planètes, se sont formées à partir de la matière du nuage moléculaire qui s’est effondré pour donner naissance à notre Système Solaire. Stockés dans les régions les plus reculées et donc les plus froides du Système Solaire (ceinture de Kuiper et nuage d’Oort), ces planétésimaux glacés n’ont pas subit de processus de différentiation du fait de leur petite taille, et devraient donc avoir gardé leur composition initiale, témoignant des conditions physico-chimiques qui régnaient là où ils se sont formés, voire même de la composition de notre nuage moléculaire natal. On considère donc les comètes comme les archives les plus anciennes de notre Système Solaire, un peu comme si des échantillons de matière primitive avaient été placés dans un congélateur pour être préservés. Ces « congélateurs » sont la ceinture de Kuiper, au-delà de l’orbite de Neptune, et le nuage d’Oort, réservoir sphérique qui s’étend jusqu’à plus de 100 000 unités astronomiques du Soleil [1]. Une perturbation gravitationnelle ou une collision, peut éjecter un noyau cométaire hors de son réservoir et l’amener sur une orbite elliptique qui le conduira près du Soleil. Cette approche déclenche la sublimation des glaces (d’abord CO, puis H2O et les autres composés volatiles gelés loin du Soleil) pour former l’atmosphère cométaire (la coma) et les queues qui sont parfois observables à l’œil nu depuis la Terre (Figure 1).
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Figure 1 : Structure d’une comète à 1 Unité Astronomique [1] du Soleil (figure : H. Cottin)

2) Composition des comètes.

La plupart des données que nous possédons à l’heure actuelle concernant la composition des comètes proviennent d’observations effectuées par télédétection depuis la Terre. Une vingtaine de molécules ont pu à ce jour être détectées en phase gazeuse (principalement H2O, mais aussi CO, CO2, CH3OH, NH3, HCN, CH4, etc…). D’autre part, des mesures effectuées par spectrométrie de masse sur les grains éjectés par les comètes Halley et Wild 2, ont mis en évidence la présence de molécules beaucoup plus complexe, dont les masses moléculaires dépassent la centaine de g/mol. Mais il n’existe à ce jour aucune information directe concernant la composition moléculaire du noyau des comètes, qui est déduite au travers de la composition de la phase gazeuse et de celle des grains. Toutefois ces observations, et principalement celles de l’atmosphère cométaire, sont le point de départ de nombreuses expériences en laboratoire qui consistent à simuler le comportement de mélanges de glaces constitués de molécules qui ont été observées dans la coma. Ces glaces sont soumises à différents apports d’énergie (UV, particules chargées, cycles thermiques) simulant les conditions qu’elles auraient rencontrées au cours de leur histoire dans l’espace (qui peut remonter à bien avant leur incorporation aux comètes, dans le milieu interstellaire). Ces expériences conduisent à la production de molécules bien plus complexes que celles observées à ce jour et laissent présager d’une grande complexité du noyau cométaire en terme de composition organique (Tableau 1). Lors d’impacts avec la Terre primitive, les comètes ont donc peut être été la source de molécules organiques, qui dans l’eau liquide auraient pû franchir les ultimes étapes de l’évolution chimique conduisant à l’apparition de la vie sur notre planète. On n’imagine pas que la vie existe sur les comètes [2], mais elles contiennent des ingrédients peut être déterminants dans la composition de la soupe prébiotique primitive. Connaître la nature chimique des composés organiques les plus complexes des noyaux cométaires nous permettrait probablement de mieux évaluer le rôle que ces petits corps ont pu jouer dans l’origine de la vie sur Terre.
Les missions spatiales viennent progressivement compléter les observations depuis la Terre et les simulations en laboratoire. L’atmosphère cométaire masquant le noyau, il est impossible de l’observer depuis la Terre. Quand la comète est inactive, le noyau est trop éloigné et trop sombre pour être visible. Aussi, avant la mission Deep Impact, seuls trois noyaux de comètes avaient pu être photographiés, et ceci, uniquement à partir de sondes spatiales (Figure 2).

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Tableau 1 : Molécules détectées lors de simulations expérimentales pratiquées sur des analogues de glaces interstellaires et cométaires. Les molécules figurant en italique ont été déjà détectées dans l’atmosphère d’au moins une comète. (t) se rapporte à des détections incertaines dans les analogues. Les acides aminés (alanine, AIB, … hormis la glycine) ont été détectés après hydrolyse du résidu organique obtenu à température ambiante. On ne peut donc pas en déduire qu’ils sont directement présents sur les noyaux cométaires. Cependant des précurseurs d’acides aminés peuvent être présents, relarguant ces briques prébiotiques essentielles pour la vie telle que nous la connaissons, après un impact, dans l’eau liquide des océans de la Terre primitive. (Tableau : H. Cottin)

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Figure 2 : Les trois noyaux cométaires observés avant DEEP IMPACT : Halley depuis la sonde Giotto en 1986 (distance lors du cliché : 700 km, dimensions du noyau : 4.1×4.2×8 km) © ESA/MPIfA ; Borrelly depuis la sonde Deep Space 1 en 2001 (distance : 3417 km, dimensions : 3.2 x 8 km) ©NASA ; et Wild 2 depuis Stardust en 2004 (distance : 500 km, dimensions : 5 km) ©NASA
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3) La mission DEEP IMPACT

Un grand pas dans la connaissance des comètes est en train d’être franchi grâce à l’interprétation des résultats de la mission DEEP IMPACT. Il s’agit d’avoir accès à l’intérieur d’une comète, et donc d’observer la matière probablement la plus primitive du Système Solaire puisque l’intérieur des comètes a été protégé des irradiations et du réchauffement dû à de précédents passages près du Soleil. La mission consistait à faire entrer en collision un bolide artificiel avec la comète 9P/Tempel 1, afin d’y creuser un cratère. On imaginait que de nouvelles espèces pourraient être détectées par l’instrument infrarouge embarqué ou depuis le sol lors du sursaut d’activité accompagnant l’impact. Les principales caractéristiques de la mission sont résumées dans le tableau suivant.

Mission	Agence spatiale	Dates	Description et objectifs	Instruments
DEEP IMPACT Masse : 650 kg + 370 kg (impacteur) Puissance nominale : 92 W	NASA	12/1/2005 : Lancement 04/07/2005 : Impact avec la comète 9P/Tempel 1	Il s’agit de connaître et caractériser l’intérieur d’une comète. Cette mission est principalement composée d’un impacteur qui a été largué à la rencontre de la comète 9P/Tempel-1. Lors de l’impact, les objectifs étaient : (1) observer comment se forme le cratère, (2) mesurer sa profondeur et son diamètre, (3) mesurer la composition de l’intérieur du cratère et des éjectas et (4) déterminer les changements dans le dégazage de la comète après l’impact. Il existait de nombreuses hypothèses quant à la forme et la taille du cratère formé. Le cratère formé pouvait être « aussi grand qu’un terrain de foot ( 115 m) et aussi profond qu’un immeuble de sept étages (30 m) ».	Sur le vaisseau : 1 – HRI : High Resolution Instrument (Imagerie haute résolution visible et infrarouge) 2 – MRI : Medium Resolution Instrument (Imagerie visible, principalement pour la navigation dans les 10 derniers jours de l’approche) 3 – Impacteur (370 kg, impact prévu à environ 10 km/s) Sur l’impacteur : 4 – ITS : Impactor Targeting Sensor (Semblable à MRI, imagerie visible pour orienter l’impacteur et fournir des images du noyau juste avant l’impact).

Table extraite de Cottin, H., et Bénilan, Y., Les comètes, Titan et Mars : exobiologie et projets spatiaux, in Des atomes aux planètes habitables, éditeurs M. Gargaud, P. Claeys et H. Martin, Presses Universitaires de Bordeaux, Parution Septembre 2005.

4) Les résultats préliminaires de la mission

A l’heure actuelle, les résultats sont encore en cours d’analyse, et demanderont beaucoup d’effort et d’années de travail pour livrer tous leurs secrets aux scientifiques. La taille du cratère n’a pas pu encore être estimée du fait de l’activité soutenue de la comète suite à l’impact. L’annonce des résultats du concours de pronostiques organisé par « The Planetary Society » concernant la taille du cratère a dû être reportée. L’éjection de débris excavés lors de l’impact a été plus longue que prévue. Ces derniers se déplaçant lentement, le cratère n’a pas émergé clairement sur les images à haute résolution. Cependant les scientifiques cherchent actuellement à voir à travers cette poussière. Il semblerait d’après les premières annonces de l’équipe scientifique que la taille du cratère se situerait dans la gamme haute des estimations qui avaient été faites (de l’ordre de la centaine de mètres).

Voici un résumé des premiers résultats disponibles :

• Tout d’abord les images spectaculaires du noyau et de l’impact : Figures 3, 4 et 5. Jamais une telle résolution n’avait été obtenue pour l’observation d’une comète. La surface est très hétérogène et diffère notablement de celle des noyaux observés jusqu’à présent. On distingue nettement la présence de cratère d’impacts, ainsi que des régions beaucoup plus lisses dont la formation n’est pour l’instant pas expliquée. La toute dernière image prise par l’impacteur l’a été 3 secondes avant l’impact, à 30 km de la surface. La résolution est de 4m.
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Figure 3 : Noyau de la comète 9P/Tempel 1 (dimensions 5×7 km) avant et après l’impact. Avant l’impact : depuis l’impacteur à environ 3000 km de distance. Après l’impact : depuis la sonde. © NASA/JPL-Caltech/UMD

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Figure 4 : Noyau de la comète 9P/Tempel 1, 90 secondes avant l’impact, vu depuis l’impacteur à une distance d’environ 900 km. © NASA/JPL-Caltech/UMD

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Figure 5 : Variation de l’activité du noyau suivi depuis le téléscope spatial Hubble avant et après l’impact. © NASA, ESA, P. Feldman (JHU), and H. Weaver (JHUAPL)

• L’impacteur a percuté la comète au moment prévu (estimation 05:52:15 TU +/- 17 sec, arrivée réelle a 05:52:24). Avec une masse de 370 kg, et une vitesse de 10.2 km/s (soit plus de 36000 km/h), l’énergie du choc correspond à 4.8 tonnes de TNT (19 Gigajoules).

• Il y a eu 3 corrections de trajectoire de l’impacteur avant l’impact ; avant la première – et après elle- la trajectoire passait toujours à coté de la comète, à 7km – il y a du y avoir un peu de suspens… L’image de la comète avec les 4 points d’impact/non-impact est présentée sur la Figure 6.
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Figure 6 : Corrections automatiques de la trajectoire de l’impacteur. Avant première manœuvre, puis suite aux trois manœuvres d’ajustement (ITM : impactor targeting maneuvers). © NASA/JPL-Caltech/UMD
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• L’impacteur a très vraisemblablement été complètement vaporisé.

• Le vaisseau qui accompagnait l’impacteur a survécu sans dommage à son passage à proximité de la comète, grâce a son bouclier protecteur.

• Le spectromètre IR (1-5 microns) a indiqué la présence d’un certain nombre de raies non identifiées (les raies de H2O, x-CH vers 3.4 microns, CO2 et CO avaient déjà été identifiées dès le 20 juin).

• D’après Mike A’Hearn, responsable de la mission, le cône de matériau éjecté a atteint une taille bien supérieure à la dimension du noyau, et l’éclat de la comète a été (momentanément) multiplié par 6 (soit -2 magnitudes).

• Il y a eu suite à l’impact à la fois un panache assez fin et du matériau éjecté selon un cône beaucoup plus large. La première interprétation (très préliminaire) serait une structure en couche de la comète avec du matériau assez compact en profondeur, recouvert d’une couche de matériau assez poreux. Ce qui au passage est le contraire d’un des modèles envisagés après le survol d’Halley, ou une croûte dure entourait du matériau plus friable.

• Si les capacités de navigation pour atteindre à grande distance un objet d’une dizaine de km ont été prouvées, il faudrait un impact beaucoup plus fort pour dévier la trajectoire d’une comète ou d’un astéroïde, car la masse de l’impacteur de Deep Impact (370 kg) était très faible en regard de celle de la comète. Les premières estimations faites indiquent que la trajectoire de Tempel 1 a été très peu modifiée par Deep Impact : le périhélie a été diminué de 10m (sur 1.51 unités astronomiques), et la période orbitale de moins d’une seconde (sur 5 ans et demi…). Une si faible déviation ne permet pas d’éviter la Terre si besoin… Par comparaison, en 2024, lors d’un passage proche de la comète, Jupiter va changer le périhélie de Tempel 1 de 38 millions de km (0.23 UA).

• Contrairement à ce que l’on aurait pu imaginer, le nuage éjecté n’est pas composé d’eau, de composés volatils et de poussières conformément au modèle de boules de neiges sales proposé par Fred Whipple dans les années 50. La Figure 7 représente en fausses couleurs le nuage de matière éjecté lors de l’impact, 50 minutes après la collision. Cette image a été prise à partir des instruments à bord de la sonde. La forte luminosité du panache indique que la matière éjectée est extrêmement fine, comme de la poudre de talc. Le noyau semble recouvert de ce matériau. Ces mesures sont corroborées par d’autres observations faites à partir du sol : Submillimeter Array (SMA) à Hawaii, et le NASA’s Submillimeter Wave Astronomy Satellite (SWAS). Les scientifiques en charge de ces instruments ont reporté une faible émission de vapeur d’eau qui était sensée surgir du noyau.
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Figure 7 : Nuage de matière éjecté lors de l’impact en fausses couleurs © NASA/JPL-Caltech/UMD
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• Dans la circulaire IAU 8571, M. Lisse et son équipe rapportent les premiers résultats concernant l’observation post-impact de la comète Tempel, grâce au télescope spatial infrarouge Spitzer. Des raies d’émission de silicates ont été mises en évidence : olivines et pyroxènes cristallins. La présence de silicates amorphes est aussi suggérée. De plus, quelques signatures spectrales de composés aromatiques polycycliques ont pu être observées. Ce serait la première détection de telles molécules dans les comètes. Il reste cependant à prouver que de tels composés étaient bel et bien présents avant l’impact, et ne sont pas le résultat de la chimie induite par l’impact.

• La mission dont le but était de révéler les couches primordiales internes de la comète semble malheureusement n’avoir qu’effleuré la couche de surface. Cette dernière étant beaucoup plus épaisse qu’on ne l’imaginait auparavant.

La mission auprès de la comète 9P/Tempel 1 étant achevée, le vaisseau Deep Impact a modifié sa trajectoire pour permettre une mission future auprès d’une nouvelle comète. Il passera de nouveau à proximité de la Terre en Décembre 2007. Son prochain objectif pourrait être la comète 85P/Beothin en 2008. Il s’agirait là uniquement d’une mission d’imagerie rapprochée puisque qu’il n’y a plus d’impacteur sur le vaisseau. La comète Tempel 1, quant à elle, a retrouvé son activité initiale. Le nuage de poussière éjecté a disparu au bout de 3 à 4 jours. L’impact ne semble pas avoir eu d’effet durable sur l’activité du noyau. La comète poursuit donc sa course, à peine altérée, et semble pour l’instant garder ses secrets dans les profondeurs de son noyau.
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5) Conclusions provisoires

Tous ces résultats sont bien sûr extrêmement préliminaires et les prochains mois seront certainement riches en termes d’avancées dans notre connaissance des comètes. Les comètes semblent plus réticentes à livrer leurs secrets que l’on aurait pu penser avant la mission Deep Impact. Cette simple constatation est à elle seule une avancée considérable dans notre connaissance de la structure des noyaux. Pour l’instant, hormis la présence de composés aromatiques qui ont tout aussi bien pu se former au moment de l’impact, aucune détection de nouvelle molécule organique n’a été annoncée. L’impacteur n’a pas sondé suffisamment profond. Il faudra très probablement s’armer de patience, et attendre la mission européenne Rosetta [3], qui elle se posera « en douceur » sur le noyau de la comète Churyumov/Gerasimenko. Des instruments d’analyse chimique performant nous permettront de mieux connaître la composition du noyau, et peut être enfin remonter dans le temps en puisant dans ces archives du ciel le secret de nos origines…

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Sites d’intérêt :

• Le site officiel de la mission DEEP IMPACT (en anglais)
• Le site officiel de la mission ROSETTA (en français)

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Les films de l’impact : © NASA/JPL-Caltech/UMD

Regarder l’impact depuis le vaisseau

Regarder la vue depuis l’impacteur

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© NASA/JPL/UMD Artwork by Pat Rawlings

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[1] 1 Unité Astronomique = 150 millions de km

[2] A l’heure actuelle, on estime que pour que la vie puisse apparaître sur un corps celleste, il faut de l’eau à l’état liquide et une source de matière organique. Il n’y a pas d’eau liquide sur les comètes.

table extraite de Cottin, H., et Bénilan, Y., Les comètes, Titan et Mars : exobiologie et projets spatiaux, in Des atomes aux planètes habitables, éditeurs M. Gargaud, P. Claeys et H. Martin, Presses Universitaires de Bordeaux, Parution Septembre 2005.