Les comètes sont des objets d’étude privilégiés pour la caractérisation de la matière primitive du Système Solaire. Une vingtaine de molécules provenant de la sublimation des glaces du noyau ont été identifiées dans la coma par spectroscopie millimétrique et infrarouge. L’analyse chimique d’un échantillon représentatif ( 40 comètes) montre une grande diversité d’abondances d’une comète à l’autre. Cela peut être attribué à divers facteurs : une formation dans des régions distinctes de la nébuleuse primitive ou à des périodes distinctes, une évolution chimique dans leur réservoir de résidence (nuage de Oort ou ceinture de Kuiper), ou une différenciation thermique des couches superficielles lors de leur passage à proximité du Soleil qui peut conduire à un appauvrissement des composés les plus volatils. Ce dernier mécanisme est invoqué pour expliquer la faible abondance du monoxyde de carbone (< quelques pourcents) dans les comètes périodiques.

Les noyaux cométaires sont des objets fragiles, et il n’est pas rare qu’ils se fragmentent (D/1993 F2 Shoemaker-Levy 9), voire qu’ils se désintègrent complètement (C/1999 S4 (LINEAR) en 2001). L’analyse chimique de plusieurs fragments permet de sonder la matière en profondeur et de mesurer le degré d’homogénéité du noyau à l’échelle de la taille des fragments .

Figure 1 : Image des fragments de 73P/Schwassmann-Wachmann 3 obtenue en mai 2006 par le télescope spatial Spitzer. Crédit Caltech/IPAC, NASA. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

La comète 73P/Schwassmann-Wachmann 3 est une comète périodique (5,34 ans) de la famille dynamique dite de Jupiter formée dans la ceinture de Kuiper. Elle s’est disloquée en plusieurs morceaux à son passage au périhélie de 1995. Cette fragmentation s’est poursuivie au passage de 2006 : 68 fragments ont reçu une désignation officielle (Fig. 1). La géométrie très favorable de cette apparition (distance à la Terre de 0,07 AU) offrait une excellente opportunité pour l’investigation chimique des fragments principaux B et C, dont la taille a été estimée à quelques centaines de mètres.

Les observations qui ont fait l’objet d’un article dans la revue Nature ont été conduites dans le domaine 2,8-4,7 microns avec les instruments CSHELL et NIRSPEC des télescopes NASA IRTF et Keck 2, respectivement. Les raies de rotation-vibration des molécules H2O, CH3OH, HCN, H2CO, C2H2, et C2H6 ont été détectées dans les deux fragments. Les abondances relatives mesurées sont remarquablement similaires (Fig. 2). Des mesures dans le domaine micro-onde avec le 30-m de l’IRAM, le Caltech Submillimeter Observatory (CSO), l’Atacama Pathfinder Experiment (APEX) et le télescope spatial Odin ciblant les molécules H2O, CH3OH, HCN, H2CO et également HNCO, CH3CN, H2S, CS conduisent à la même conclusion (Fig. 3). Ainsi, neuf composés des glaces des couches superficielles des fragments B et C, qui possèdent des volatilités très différentes, ont une composition identique dans les deux fragments. Ce résultat démontre que le noyau de la comète 73P/Schwassmann-Wachmann 3 est chimiquement homogène et que sa composition reflète essentiellement les processus physico-chimiques en jeu dans la nébuleuse primitive. Il remet en cause les modèles qui prédisent une différentiation chimique liée aux effets d’ensoleillement.

Figure 2 : Abondances mesurées par spectroscopie infrarouge dans les fragments B (en rouge) et C (en vert). Les abondances mesurées dans les autres comètes s’échelonnent dans les domaines indiqués en rose. Source : Dello Russo et al. (2007) Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Ce résultat est d’autant plus intéressant que la comète 73P/Schwassmann-Wachmann 3 présente une composition chimique hors norme. Elle est appauvrie (par un facteur jusqu’à 10) en CH3OH, H2CO, C2H2, C2H6, NH3, et H2S comparé aux abondances moyennes mesurées dans les comètes, mais présente une composition normale en HCN, CH3CN, HNCO et CS (Fig. 3). La moitié des comètes de la famille de Jupiter issues de la ceinture de Kuiper sont sous-abondantes en éléments carbonés. La diversité de composition des comètes de la ceinture de Kuiper (et des comètes du nuage de Oort) serait donc primordiale. Les mécanismes qui ont conduit à cette diversité dans le Système Solaire primitif sont à élucider.

Figure 3 : Abondances par rapport à H2O mesurées au 30-m de l’IRAM, CSO et APEX. Source : Biver et al. (2006). Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Références

Compositional homogeneity in the fragmented comet 73P/Schwassmann-Wachmann 3, Dello Russo, N. Vervack Jr., R.J., Weaver, H.A., Biver, N., Bockelée-Morvan, D., Crovisier, J., Lisse, C.M., 2007, Nature, 12 juillet 2007

Comparison of the chemical composition of fragments B and C of comet 73P/Schwassmann-Wachmann 3 from radio observations, Biver, N., Bockelée-Morvan, J. Boissier, P. Colom, J. Crovisier, A. Lecacheux, D.C. Lis, B. Parise, K. Menten and the Odin Team, 2006, BAAS 38, 484-485

Contact

Nicolas Biver (Observatoire de Paris, LESIA, et CNRS)

Dominique Bockelée-Morvan (Observatoire de Paris, LESIA, et CNRS)

Jacques Crovisier (Observatoire de Paris, LESIA, et CNRS)

Dernière modification le 22 février 2013

The composition of cometary ices provides key information on the chemical and physical properties of the outer solar nebula where comets formed, 4.6 Gy ago. About two dozen molecules released from the sublimation of nucleus ices have been identified in cometary atmospheres, mainly by infrared and microwave spectroscopy. Chemical diversity is observed both in the class of Oort cloud comets and within the Jupiter-family comet population consisting of short-period comets formed in the Kuiper belt. This remarkable diversity can be attributed to several factors including differences in the chemical and physical environments in comet-forming regions, chemical evolution during their long storage in the Oort cloud and Kuiper belt, and thermal processing by the Sun when entering the inner Solar System. This latter mechanism, which may deplete the outer layers of comet nuclei in the most volatile species, is invoked to explain the low CO abundances measured in Jupiter-family comets, while several Oort cloud comets exhibit high CO abundances.

To determine the relevance of these factors, measurements of the chemistry as a function of depth in cometary nuclei are critical. Cometary nuclei are fragile objects and often experience fragmentation (e.g., D/1993 F2 Shoemaker-Levy 9 that collided Jupiter in 1994) and eventually full disintegration (C/1999 S4 (LINEAR) in 2001). Fragmenting comets expose formerly buried material. The chemical analysis of several fragments provide a sensitive test for chemical heterogeneity within a comet nucleus.

Figure 1 : Image des fragments de 73P/Schwassmann-Wachmann 3 obtenue en mai 2006 par le télescope spatial Spitzer. Crédit Caltech/IPAC, NASA. Cliquer sur l’image pour l’agrandir

Comet 73P/Schwassmann-Wachmann 3 is a Jupiter-family comet that split into at least five fragments during its 1995 apparition. Fragmentation pursued at its 2006 apparition : 68 named fragments were identified (Fig. 1). The very close approach of the comet to Earth in May 2006 (0.07 AU) allowed the volatile inventory of the main fragments B and C (of hundreds of meters size) to be determined with detail.

The observations presented in Nature journal were conducted in the 2.8-4.7 microns range with the high resolution spectrometers CSHELL and NIRSPEC of NASA IRTF and Keck 2 telescopes, respectively. Ro-vibrational lines of H2O, CH3OH, HCN, H2CO, C2H2, et C2H6 were detected in the two fragments. The relative abundances between the two bodies are found to be remarkably similar to each other when compared to the diversity in chemistry within the overall comet population (Fig. 2). Complementary investigations performed in the microwave range using the IRAM 30-m, the Caltech Submillimeter Observatory (CSO), the Atacama Pathfinder Experiment (APEX) and Odin telescopes show that this similarity of composition extends to HNCO, CH3CN, H2S and CS (Fig. 3). These results provide strong evidence that the nucleus of 73P/Schwassmann-Wachmann 3 is chemically homogeneous and that its composition primarily reflects formative conditions and not evolutionary processing from numerous close passages to the Sun.

Figure 2 : Abondances mesurées par spectroscopie infrarouge dans les fragments B (en rouge) et C (en vert). Les abondances mesurées dans les autres comètes s’échelonnent dans les domaines indiqués en rose. Source : Dello Russo et al. (2007) Cliquer sur l’image pour l’agrandir

This finding is especially interesting when considering the deviant composition of this comet. Our measurements show that comet 73P/ Schwassmann-Wachmann 3 is strongly depleted in CH3OH, H2CO, C2H2, C2H6, NH3, et H2S (by a factor of 10 for some molecules) while normal in HCN, CH3CN, HNCO et CS contents relative to water (Fig. 3). Jupiter-family comets with depleted volatile abundances in carbon-chain molecules are common. The chemical diversity observed in the population of comets formed in the Kuiper Belt (as well as Oort cloud comets) would then be primordial. Whether this chemical diversity reflects different nebular formation regions, the timing of comet formation in the early stages of the Solar System or another as yet unidentified effect remains to be seen.

References

Compositional homogeneity in the fragmented comet 73P/Schwassmann-Wachmann 3, Dello Russo, N. Vervack Jr., R.J., Weaver, H.A., Biver, N., Bockelée-Morvan, D., Crovisier, J., Lisse, C.M., 2007, Nature, 12 juillet 2007

Comparison of the chemical composition of fragments B and C of comet 73P/Schwassmann-Wachmann 3 from radio observations, Biver, N., Bockelée-Morvan, J. Boissier, P. Colom, J. Crovisier, A. Lecacheux, D.C. Lis, B. Parise, K. Menten and the Odin Team, 2006, BAAS 38, 484-485

Contact

Nicolas Biver (Observatoire de Paris, LESIA, et CNRS)

Dominique Bockelée-Morvan (Observatoire de Paris, LESIA, et CNRS)

Jacques Crovisier (Observatoire de Paris, LESIA, et CNRS)

Dernière modification le 4 mars 2013