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L’eau dans l’Univers

Pour un chimiste, l’eau (nom de code H2O) est l’association de 2 atomes d’hydrogène et 1 atome d’oxygène. Elle existe sous les trois états physiques, solide, liquide et gazeux, et possède des propriétés uniques étonnantes.
Pour un biologiste, l’eau est le constituant majoritaire du corps humain.
Pour un environnementaliste, l’eau est la ressource terrestre indispensable aux espèces du vivant.
Pour un météorologiste, l’eau, appelée brouillard, pluie, neige ou grêle, est la préoccupation principale, qu’elle soit absente ou trop présente.
Pour un astrophysicien, l’eau est la 2ème molécule la plus abondante de l’univers (après H2) et sa détection, en particulier sous forme liquide, une obsession.

Où y a-t-il de l’eau?

Aux premiers temps de leur formation, toutes les planètes du système solaire ont probablement possédé de l’eau mais leurs situations sont aujourd’hui très disparates.
Contrairement aux autres planètes, la Terre a eu de la chance. Suffisamment massive et jouissant d’une position privilégiée dans le Système solaire, ni trop près, ni trop loin du Soleil, elle a pu retenir son eau et en conserver une majeure partie sous forme liquide. Jusqu’ici nous ne connaissons que la Terre qui recèle l’eau sous ses trois états (solide, liquide, vapeur). Coïncidence ou hasard, nous ne connaissons que la Terre qui abrite aussi la vie.
Aujourd’hui, si certains corps du système solaire (les satellites Europe, Callisto et Ganymède) affichent ouvertement une couverture de glace, ou même de neige comme Encelade, sur leurs surfaces, on soupçonne aussi que beaucoup de planètes et de satellites comme Mars ou Titan gardent cachées en leur cœur de grandes quantités d’eau, glacée ou liquide.
Hors Système solaire, les poussières interstellaires de toutes tailles jouent les parois froides pour l’eau de ce milieu super froid (-250°C) en se couvrant de glaces. Quant aux exoplanètes, elles ne sont pas en reste avec des corps comme Gliese 1214b dont la teneur en eau est estimée à 50% de sa masse totale.

Pourquoi étudier l’eau solide?

De nombreuses réactions chimiques courantes dans nos laboratoires ne peuvent avoir lieu dans l’espace interstellaire en raison de l’environnement. Les molécules sont si peu nombreuses (1000 molécules pour 10 000 000 000 000 000 000 sur terre) qu’elles ne se rencontrent que très rarement; pas de combat faute de combattants. Il fait si froid (-200 à -260 °C) que le petit coup de pouce énergétique indispensable au démarrage de beaucoup de réactions, trivial dans nos conditions terrestres, manque cruellement. Enfin, l’environnement du vide empêche toute évacuation de l’énergie dégagée par la réaction, énergie qui s’auto-utilise pour casser ce qu’elle vient de construire. Un support capable de jouer l’entremetteur est indispensable: les poussières glacées constituent des lieux de rencontre d’atomes qui viennent s’y coller, restant suffisamment longtemps pour donner des molécules. L’hydrogène moléculaire, H2, comme les molécules à l’origine de la vie, tel le méthanol, ne peuvent se former qu’ainsi. L’espace interstellaire est aussi un environnement paradoxal: le bombardement incessant par un rayonnement intense de particules détruit nombre de molécules simples tout en permettant l’apparition des molécules complexes.
Les simulations numériques et expérimentales permettent de se faire une idée de la chimie dans ces conditions extrêmes, montrant que ces glaces ont bien le statut privilégié de pouponnière de molécules.

Comment étudier l’eau solide?

Fabriquer de l’eau extraterrestre est simple et complexe à la fois. Prendre un échantillon de roche, le mettre dans une enceinte en acier inoxydable et évacuer l’air, chauffer à 200°C pendant 48h, laisser refroidir et pomper jusqu’à obtenir une pression 10000 milliards de fois plus faible que la pression atmosphérique. Refroidir l’échantillon jusqu’à -260°C et saupoudrer d’hydrogène et oxygène. Attendre: on obtient de la glace d’eau interstellaire!
La formation et l’évolution de la matière extraterrestre au cours de millions d’années, c’est exactement ce que visent à reproduire en quelques heures l’expérience VENUS, développée par le Laboratoire d’Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA).
D’autres expériences, telle SPICES, permettent de simuler d’autres effets, comme celui du rayonnement UV provenant des étoiles. Les chercheurs du LERMA ont ainsi découvert que ces rayons particuliers «épluchent» véritablement la surface des glaces, et produisent de la vapeur d’eau à des températures extrêmes, proches du zéro absolu.
Enfin, les simulations numériques sur ordinateur au Laboratoire de Chimie Théorique (LCT), qui calculent les interactions entre particules au moyen des équations fondamentales de physique quantique, viennent étayer les résultats des expériences en interprétant les phénomènes physiques et chimiques au niveau moléculaire. Ces modélisations permettent de tester de nouvelles hypothèses et de concevoir de futures expériences.

L’eau sous toutes ses formes

Les clathrates hydrates sont des solides cristallins, constitués de cages d’eau, avec des propriétés proches de la glace mais avec la particularité de n’exister que s’ils piègent des molécules hôtes. Sur Terre, par exemple, ces clathrates piègent le méthane ou le dioxyde de carbone dans le permafrost de Sibérie ou dans les sols sédimentaires des océans. Capables de concentrer d’énormes volumes de gaz piégés, ces solides d’eau représentent une source d’énergie fossile potentielle plus abondante que le pétrole, essentiellement sous forme de méthane: ce qu’illustre spectaculairement leur faculté à s’enflammer, donnant l’illusion d’une glace qui brûle.
Dans l’espace, la question de leur existence est posée et cette forme de glace est activement recherchée. Avec leur mécanisme de piégeage efficace, ils pourraient jouer un rôle de préservation de molécules hôtes très diverses, dans des planètes, comètes ou grains interstellaires, et ce à des températures plus hautes qu'attendues. Leur présence permettrait alors d’expliquer la composition des corps glacés dans l’Univers, et bouleverserait les schémas astrochimiques jusqu’ici envisagés, en allongeant les durées de rétention, et en permettant la ré-injection tardive d'espèces gazeuses dans les atmosphères planétaires.
Recréer ces clathrates en laboratoire dans les conditions du milieu interstellaire est aujourd’hui un défi pour les chercheurs.