Des scientifiques du MIT et d'ailleurs ont découvert des vestiges extrêmement rares de la « proto-Terre », formée il y a environ 4,5 milliards d'années, avant qu'une collision colossale n'altère irréversiblement la composition de la planète primitive et ne donne naissance à la Terre telle que nous la connaissons aujourd'hui. Leurs découvertes aideront les scientifiques à reconstituer les éléments primordiaux qui ont façonné la Terre primitive et le reste du système solaire.
Il y a des milliards d'années, le système solaire primitif était un disque tourbillonnant de gaz et de poussière qui s'est finalement agglutiné et accumulé pour former les premières météorites, qui à leur tour ont fusionné pour former la proto-Terre et ses planètes voisines.
À cette époque, la Terre était probablement rocheuse et bouillonnante de lave. Puis, moins de 100 millions d'années plus tard, une météorite de la taille de Mars s'est écrasée sur la planète naissante lors d'un singulier « impact géant » qui a complètement brouillé et fondu l'intérieur de la planète, réinitialisant ainsi sa chimie. On pensait que le matériau originel de la proto-Terre avait été complètement transformé.
Mais les découvertes de l'équipe du MIT suggèrent le contraire. Les chercheurs ont identifié une signature chimique dans les roches anciennes, unique par rapport à la plupart des autres matériaux découverts sur Terre aujourd'hui. Cette signature se présente sous la forme d'un subtil déséquilibre isotopique du potassium, découvert dans des échantillons de roches très anciennes et très profondes. L'équipe a déterminé que ce déséquilibre n'aurait pu être dû à aucun impact majeur antérieur ni à aucun processus géologique actuel sur Terre.
L'explication la plus probable de la composition chimique des échantillons est qu'il doit s'agir de matériaux résiduels de la proto-Terre qui sont restés inchangés, même lorsque la majeure partie de la planète primitive a été impactée et transformée.
« C'est peut-être la première preuve directe de la préservation des matériaux proto-Terrestres », déclare Nicole Nie, professeure adjointe en sciences de la Terre et des planètes (Paul M. Cook Career Development) au MIT. « Nous observons un fragment de la Terre très ancienne, avant même l'impact géant. C'est incroyable, car on s'attendrait à ce que cette signature très ancienne disparaisse progressivement au cours de l'évolution de la Terre. »
Les autres auteurs de l'étude comprennent Da Wang de l'Université de technologie de Chengdu en Chine, Steven Shirey et Richard Carlson de la Carnegie Institution for Science à Washington, Bradley Peters de l'ETH Zurich en Suisse et James Day de la Scripps Institution of Oceanography en Californie.
Une curieuse anomalie
En 2023, Nie et ses collègues ont analysé de nombreuses météorites majeures collectées sur des sites du monde entier et étudiées avec soin. Avant leur impact sur la Terre, ces météorites se sont probablement formées à différents moments et endroits du système solaire, témoignant ainsi de l'évolution de ses conditions au fil du temps. En comparant la composition chimique de ces échantillons de météorites à celle de la Terre, les chercheurs ont identifié parmi eux une « anomalie isotopique du potassium ».
Les isotopes sont des versions légèrement différentes d'un élément, possédant le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons. Le potassium peut exister sous la forme de trois isotopes naturels, dont les nombres de masse (protons et neutrons) sont respectivement de 39, 40 et 41. Partout où le potassium a été découvert sur Terre, il existe sous la forme d'une combinaison caractéristique d'isotopes, les potassium 39 et 41 étant largement dominants. Le potassium 40 est présent, mais en très faible pourcentage en comparaison.
Nie et ses collègues ont découvert que les météorites étudiées présentaient des bilans isotopiques de potassium différents de ceux de la plupart des matériaux terrestres. Cette anomalie en potassium suggérait que tout matériau présentant une anomalie similaire était probablement antérieur à la composition actuelle de la Terre. Autrement dit, tout déséquilibre en potassium serait un signe fort de matériaux provenant de la proto-Terre, avant que l'impact géant ne modifie la composition chimique de la planète.
« Dans ce travail, nous avons découvert que différentes météorites ont des signatures isotopiques de potassium différentes, ce qui signifie que le potassium peut être utilisé comme traceur des éléments constitutifs de la Terre », explique Nie.
« Construit différemment »
Dans l'étude actuelle, l'équipe a recherché des signes d'anomalies potassiques non pas dans les météorites, mais à l'intérieur de la Terre. Leurs échantillons comprennent des roches, sous forme de poudre, provenant du Groenland et du Canada, où se trouvent certaines des plus anciennes roches préservées. Ils ont également analysé des dépôts de lave prélevés à Hawaï, où les volcans ont fait remonter certains des matériaux les plus anciens et les plus profonds de la Terre, provenant du manteau (la couche rocheuse la plus épaisse de la planète, séparant la croûte terrestre du noyau).
« Si cette signature du potassium est préservée, nous voudrions la rechercher dans les profondeurs du temps et de la Terre », explique Nie.
L'équipe a d'abord dissous les différents échantillons de poudre dans de l'acide, puis a soigneusement isolé le potassium du reste de l'échantillon et a utilisé un spectromètre de masse spécial pour mesurer le rapport de chacun des trois isotopes du potassium. Fait remarquable, ils ont identifié dans les échantillons une signature isotopique différente de celle trouvée dans la plupart des matériaux terrestres.
Plus précisément, ils ont identifié un déficit en potassium 40. Dans la plupart des matériaux terrestres, cet isotope représente déjà une fraction insignifiante comparée aux deux autres isotopes du potassium. Mais les chercheurs ont pu constater que leurs échantillons contenaient un pourcentage encore plus faible de potassium 40. Détecter ce faible déficit revient à repérer un grain de sable brun dans un seau plutôt qu'une pelle remplie de sable jaune.
L'équipe a constaté que, en effet, les échantillons présentaient un déficit en potassium 40, ce qui montre que les matériaux « étaient construits différemment », explique Nie, par rapport à la plupart de ce que nous voyons sur Terre aujourd'hui.
Mais ces échantillons pourraient-ils être de rares vestiges de la proto-Terre ? Pour répondre à cette question, les chercheurs ont émis l'hypothèse que c'était possible. Ils ont estimé que si la proto-Terre était initialement constituée de matériaux pauvres en potassium 40, la majeure partie de ces matériaux aurait subi des modifications chimiques – dues à l'impact géant et aux impacts de météorites ultérieurs, plus petits – qui auraient finalement donné naissance aux matériaux riches en potassium 40 que nous connaissons aujourd'hui.
L'équipe a utilisé les données de composition de chaque météorite connue et a simulé l'évolution du déficit en potassium 40 des échantillons suite à leurs impacts et à l'impact géant. Elle a également simulé les processus géologiques observés sur Terre au fil du temps, tels que le réchauffement et le mélange du manteau. Au final, leurs simulations ont produit une composition avec une fraction de potassium 40 légèrement supérieure à celle des échantillons du Canada, du Groenland et d'Hawaï. Plus important encore, les compositions simulées correspondaient à celles de la plupart des matériaux modernes.
Ces travaux suggèrent que les matériaux présentant un déficit en potassium 40 sont probablement des restes de matériaux originaux de la proto-Terre.
Curieusement, la signature des échantillons ne correspond exactement à celle d'aucune autre météorite des collections des géologues. Si les météorites étudiées précédemment par l'équipe présentaient des anomalies en potassium , elles ne présentent pas exactement le déficit observé dans les échantillons de proto-Terre. Cela signifie que les météorites et les matériaux qui ont formé la proto-Terre restent à découvrir.
« Les scientifiques tentent de comprendre la composition chimique originelle de la Terre en combinant les compositions de différents groupes de météorites », explique Nie. « Mais notre étude montre que l'inventaire actuel des météorites est incomplet et qu'il reste encore beaucoup à apprendre sur l'origine de notre planète. »
Informations complémentaires : Da Wang et al., Preuves isotopiques du potassium 40 concernant un composant du manteau terrestre pré-impact de géante, Nature Geoscience (2025). DOI : 10.1038/s41561-025-01811-3
Par Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology
Edité par Lisa Lock , révisé par Robert EganFourni par le Massachusetts Institute of Technology
Cet article est republié grâce à l'aimable mise à disposition de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement au MIT.
