Pourquoi une météorite de fer coupée et polie révèle-t-elle un motif en filet ?
― La trace d'un refroidissement à 100°C par million d'années, impossible à reproduire sur Terre
Sous la surface d'une météorite de fer coupée se cache un motif de bandes qui se croisent en biais. Ce motif, dit-on, est impossible à fabriquer sur Terre. Il ne faut pas un matériau spécial. Il faut simplement des millions d'années d'attente.
Dans le coin météorites d'un musée des sciences, un bloc de métal coupé à plat est exposé. À sa surface, de fines lignes et de larges bandes se croisent obliquement dans plusieurs directions. On dirait des fenêtres à grillage superposées.
Le panneau explicatif se contente d'indiquer : « Section d'une météorite de fer. Le motif apparaît après nettoyage à l'acide. » Personne ne l'a gravé. Ce motif était déjà présent, depuis le début, à l'intérieur même du métal.
Coupez une poêle en fer de votre cuisine, et un tel motif n'apparaîtra jamais. Pourtant, c'est le même fer. Pourquoi seul le fer venu de l'espace porte-t-il ce motif ?
Le motif naît de deux « lenteurs »
Les météorites de fer sont des fragments du noyau métallique d'anciens astéroïdes. Une épaisse enveloppe de roche les entourait, et la chaleur ne pouvait s'échapper vers l'espace que très lentement.
Pendant le refroidissement, le fer et le nickel se séparent en deux métaux distincts. Or il faut un temps considérable pour que les atomes de nickel se déplacent à l'intérieur d'un métal solide.
Le motif est donc l'enregistrement d'un refroidissement lent. S'il est trop rapide, les atomes n'ont pas le temps de se déplacer et le motif ne se développe pas. Voyons cela en détail.
Pourquoi le centre d'un astéroïde se refroidit-il si difficilement ?
Il y a environ 4,5 milliards d'années, de nombreux petits corps naissaient autour du Soleil. Dans les plus grands d'entre eux, l'intérieur fondait et le fer et le nickel, plus lourds, s'enfonçaient vers le centre pour former un noyau métallique.
Regardez la partie gauche de la figure 1. Une épaisse coquille rocheuse entoure le noyau métallique. La roche conduit mal la chaleur. Et à l'extérieur, dans le vide spatial, aucun vent ne vient l'emporter. La chaleur ne fait que sortir, peu à peu, sous forme de lumière depuis la surface de la coquille.
On estime ainsi que le noyau s'est refroidi à une vitesse incroyablement lente : de quelques degrés à quelques milliers de degrés par million d'années. En prenant une valeur médiane de 100°C par million d'années, la baisse annuelle de température n'est que de 0,0001°C. Sur toute une vie humaine, l'aiguille du thermomètre ne bougerait pour ainsi dire pas.
Par la suite, des corps célestes se sont entrechoqués et brisés, dispersant des fragments du noyau dans l'espace. Ceux qui sont tombés par hasard sur Terre sont les météorites de fer.
Le motif, c'est la trace d'un « déménagement » du nickel
Tant que la température est très élevée, le fer et le nickel forment un seul métal, mélangé de façon homogène. Mais quand la température descend sous environ 700°C, un autre métal, pauvre en nickel, commence à naître et à croître sous forme de plaques.
Pour qu'une plaque grandisse, les atomes de nickel qui s'y trouvaient doivent en sortir. Le nickel ainsi chassé s'accumule au bord de la plaque, formant une fine couche riche en nickel. Voilà l'origine des larges bandes et des fines lignes visibles à droite de la figure 1.
C'est ici qu'intervient la seconde lenteur. Dans un métal solide, les atomes ne peuvent se déplacer que très peu à la fois, en se glissant entre les atomes voisins. Et la distance parcourue n'est pas proportionnelle au temps : si l'on multiplie le temps par 100, la distance n'est multipliée que par 10.
C'est pourquoi il faut plusieurs millions d'années pour faire grandir une bande d'environ 1 millimètre de large. Même en refroidissant un métal le plus lentement possible dans une usine terrestre, on ne dépasse guère quelques jours à quelques mois. C'est la raison pour laquelle on dit que le motif des météorites de fer ne peut pas être fabriqué artificiellement.
Si les bandes semblent se croiser dans plusieurs directions, c'est parce que l'arrangement des atomes du métal d'origine offre 4 orientations privilégiées pour la croissance des plaques. Une coupe oblique de plaques orientées ainsi donne l'apparence d'un filet.
On attribue le premier signalement du motif à Thomson vers 1804, puis à Widmanstätten en 1808. Ce dernier aurait remarqué le motif en chauffant à la flamme une plaque de météorite, en observant que la couleur changeait différemment selon les endroits. Aujourd'hui, la présence de ce motif est l'un des indices permettant de vérifier l'authenticité d'une météorite de fer.
En mesurant la largeur des bandes et la façon dont la concentration de nickel y varie, on peut calculer à rebours la vitesse de refroidissement. Plus le refroidissement est lent, plus la coquille rocheuse qui entourait le noyau devait être épaisse. On estime ainsi que les astéroïdes aujourd'hui disparus mesuraient de quelques dizaines à quelques centaines de km.
En résumé
Le motif des météorites de fer est la trace d'un refroidissement de plusieurs millions d'années, au centre d'un astéroïde, sous une épaisse coquille rocheuse. Pendant ce refroidissement, les atomes de nickel ont lentement « déménagé » à l'intérieur du métal solide, se séparant en larges bandes pauvres en nickel et en fines lignes riches en nickel. Comme la distance parcourue par les atomes ne croît qu'avec la racine carrée du temps, le même motif ne peut pas se développer dans le temps court dont on dispose sur Terre.
Ce qui a façonné le motif, ce n'est pas le matériau, c'est le temps.
La section d'une météorite de fer est un fossile de « lenteur » : environ 100°C par million d'années.
Comment cette météorite a-t-elle fini par être reconnue comme une « pierre tombée du ciel » ? C'est raconté dans Pourquoi les savants d'autrefois ne croyaient-ils pas que des pierres tombaient du ciel ?. L'histoire des cristaux qui grandissent en beauté quand on les refroidit lentement se trouve dans Pourquoi les cristaux d'alun poussent-ils dans des formes aussi parfaites ?, et celle du noyau de fer au centre de la Terre dans Le centre de la Terre.
- Dissolvez de l'alun dans de l'eau chaude jusqu'à saturation, puis répartissez la solution dans deux verres. Faites manipuler l'eau chaude avec un adulte.
- Plongez le premier dans de l'eau glacée pour le refroidir rapidement. Placez le second dans une boîte en polystyrène, fermez le couvercle, et laissez-le refroidir lentement toute une nuit.
- Le lendemain, comparez les cristaux formés au fond de chaque verre. Ceux qui ont refroidi dans la boîte devraient être plus gros. La boîte en polystyrène joue le rôle de la « coquille rocheuse » de l'astéroïde.
Si vous voyez la section d'une météorite de fer dans un musée des sciences, essayez de compter dans combien de directions courent les bandes. Plus les bandes sont larges, plus la météorite a refroidi lentement.
Pour en savoir plus ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en « chimie », « physique » ou « sciences de la Terre » au lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou traité en encadré dans les manuels
- UniversitéContenu qu'on ne voit pas au lycée : matières universitaires spécialisées (science des matériaux métalliques, sciences planétaires)
- RechercheCe qu'on n'enseigne même pas à l'université comme une « vérité établie » : des sujets sur lesquels les chercheurs travaillent encore
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Structure de Widmanstätten : le motif de plaques métalliques entrecroisées qui apparaît sur la section d'une météorite de fer. Nommé d'après son découvreur.
- Kamacite et taénite : le métal pauvre en nickel (larges bandes) est la kamacite ; le métal riche en nickel (fines lignes) est la taénite.
- Octaédrite : le type de météorite de fer qui présente ce motif. Le nom vient de « octaèdre », car les plaques croissent le long des faces d'un octaèdre régulier.
CollègeLycéeVérifions par le calcul : combien de temps faut-il pour que le motif se développe ?
En supposant une vitesse de refroidissement constante, on calcule le temps nécessaire pour traverser l'intervalle de température où le motif se développe. On regarde aussi la relation entre la largeur des bandes et le temps.
| En symboles | t = ΔT ÷ R (largeur approximative de la bande : x ≈ √( D × t )) |
| En mots | Temps nécessaire = intervalle de baisse de température ÷ vitesse de refroidissement. Distance parcourue par un atome = racine carrée de (mobilité × temps) |
| D'où vient cette formule | La première partie est une division du même type que « distance = vitesse × temps ». La seconde vient des propriétés de la « diffusion », où l'atome change de direction au hasard en avançant |
| t | Temps pour traverser l'intervalle de température où le motif se développe (unité : million d'années) |
| ΔT | Largeur de l'intervalle de température où le motif se développe (unité : °C) |
| R | Vitesse de refroidissement (unité : °C par million d'années) |
| x | Distance approximative de déplacement des atomes de nickel (unité : m) |
| D | Coefficient de diffusion. La mobilité des atomes, qui chute brutalement quand la température baisse (unité : mètre carré par seconde) |
| Température de début de croissance du motif (varie selon la teneur en nickel) | environ 700°C |
| Température où les atomes cessent presque de bouger | environ 400°C |
| Exemple de vitesse de refroidissement (valeur médiane de l'estimation) | 100°C par million d'années |
| Intervalle de baisse de température ΔT | 700 − 400 = 300 °C |
| Temps nécessaire t (en millions d'années) | 300 ÷ 100 = 3 |
| Baisse de température par an | 100 ÷ 1 000 000 = 0,0001 °C |
| Baisse sur une vie humaine (80 ans) | 0,0001 × 80 = 0,008 °C |
| Facteur de temps pour multiplier la largeur d'une bande par 10 | 10 × 10 = 100 fois |
La période de croissance du motif est d'environ 3 millions d'années. Pendant ce temps, sur une vie humaine, la température ne baisse même pas de 0,01°C. De plus, comme la distance parcourue ne croît qu'avec la racine carrée du temps, il faut 100 fois plus de temps pour rendre une bande 10 fois plus large. En quelques jours ou quelques mois sur Terre, on n'atteint donc jamais une bande de 1 mm.
LycéeLycée+Arrangement cristallin et mobilité des atomes
LycéeLes atomes d'un métal forment un cristal ordonné. La taénite, riche en nickel, a une structure cubique à faces centrées ; la kamacite, pauvre en nickel, une structure cubique centrée. Quand la température baisse, la structure cubique à faces centrées devient instable, et des plaques cubiques centrées précipitent.
Lycée+Le coefficient de diffusion, qui traduit la mobilité des atomes, dépend fortement de la température et chute brutalement quand elle baisse, selon la forme de la loi d'Arrhenius. Le motif se développe donc surtout aux températures élevées, et s'arrête presque en dessous d'environ 400°C.
UniversitéDiagramme de phase fer-nickel et estimation de la vitesse de refroidissement
La formation du motif s'explique par le diagramme de phase binaire fer-nickel et par une croissance limitée par la diffusion, selon la loi de Fick. La concentration en nickel à l'intérieur de la taénite suit une distribution en forme de « M » : élevée au bord des plaques, faible au centre. La méthode qui compare cette forme à des calculs de diffusion pour en déduire la vitesse de refroidissement est appelée « métallographic cooling rate meter » (compteur de vitesse de refroidissement métallographique), utilisée depuis les années 1960.
📖 Pour la dérivation des formules et pour aller plus loin : Structure de Widmanstätten (Wikipédia, japonais) ／ Loi de Fick (Wikipédia, japonais)
RechercheCe qui n'est pas encore bien compris
- Des fragments d'un même noyau, mais des vitesses de refroidissement différentes ? Certaines familles de météorites de fer, censées provenir du même noyau, présentent des vitesses de refroidissement très différentes. Une hypothèse propose que le noyau ait été dépouillé de sa coquille rocheuse et se soit refroidi à nu.
- La mémoire du champ magnétique de l'astéroïde, conservée dans les interstices des bandes On pense que la microstructure encore plus fine au bord de la taénite conserve la trace du champ magnétique de l'astéroïde à l'époque. Des recherches sont en cours pour déterminer si le noyau métallique générait bien un champ magnétique.
- Aller observer directement le noyau d'un astéroïde Une sonde spatiale se dirige actuellement vers Psyché, un astéroïde qu'on pense composé de métal. On devrait pouvoir vérifier, après son arrivée, s'il s'agit bien d'un noyau à nu.
Autrement dit, le contenu de cet article aussi n'est qu'« une explication dans l'état actuel des connaissances ». Les estimations de vitesse de refroidissement varient beaucoup selon la méthode et la météorite.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « changements d'état de la matière », « système solaire » | Un refroidissement lent fait grandir les cristaux ; les astéroïdes |
| Lycée | Chimie « cristaux métalliques », sciences de la Terre « formation du système solaire » | Cubique à faces centrées et cubique centrée, noyau des astéroïdes |
| Lycée+ | Chimie « vitesse de réaction et température » | Loi d'Arrhenius, arrêt de la diffusion à basse température |
| Université | Science des matériaux métalliques, sciences planétaires | Diagramme de phase, loi de Fick, compteur de vitesse de refroidissement métallographique |
| Recherche | Météoritique | Dispersion des vitesses de refroidissement, paléomagnétisme, mission Psyché |
| ― | Liens avec la vie quotidienne | Cristaux d'alun ou de sucre candi, trempe et recuit en forge |
- Wikipédia « Structure de Widmanstätten » (ウィドマンシュテッテン構造)
- Wikipédia « Loi de Fick » (フィックの法則)
- Goldstein, J. I., Scott, E. R. D., Chabot, N. L. (2009) Iron meteorites: Crystallization, thermal history, parent bodies, and origin. Chemie der Erde 69, 293–325.
- Yang, J., Goldstein, J. I., Scott, E. R. D. (2007) Iron meteorite evidence for early formation and catastrophic disruption of protoplanets. Nature 446, 888–891.
※Cet article est une explication scientifique destinée au grand public. Les valeurs chiffrées données servent de repères ou d'estimations pour comprendre le mécanisme. Les valeurs de vitesse de refroidissement et de température varient selon les études et le type de météorite.