La terre n'a pas l'apanage de l' eau. C'est une évidence que les découvertes les plus récentes ne cesse de confirmer. Sous forme de glace le plus souvent de vapeur, sa présence est attestée sur les planètes et leurs satellites, sur la lune un , mais aussi bien au-delà du système solaire, dans l'atmosphère des étoiles et surtout dans les gigantesques nuages de gaz et de poussières au sein desquelles naissent ces étoiles. D'où vient l'eau de l'univers ? Comment se forme-t-elle et qu'elle rôle peut-elle y jouer ?

Pas mal pour un chant du cygne... Le 8 avril dernier quelques semaines avant de rendre l'âme, le satellite infrarouge ISO a fait une de ses plus étonnantes découvertes. En pointant un immense nuage de gaz interstellaire proche de la nébuleuse d'Orion, il y a détecté une quantité inhabituelle de vapeur d'eau. Selon les calculs des chercheurs, la concentration en eau du nuage serai de 1 partie pour 2000 en volume. À l'aune de la terre (dont toute l'eau formait une pellicule de 2, 7 km uniformément répartie à la surface ), cela peut tout d'abord paraître insignifiant. Mais c'est 20 fois plus ce que l'on observe dans d'autres nuages de gaz interstellaire. Mieux: compte tenu de son étendue, le nuage d'Orion produirez chaque jour assez d'eau pour remplir soixante fois les océans terrestres.
Surprenant, ce bain de vapeur cosmique ? Pas pour tout le monde. En fait, les astrophysiciens attendaient une telle observation. C'est que, composé principalement d'hydrogène, le nuage interstellaire d'Orion est une région où de nombreuses étoiles à sont en train de se former. " Or, la violence qui accompagne la naissance d'une étoile, lorsque celle-ci est expulse des jets à grande vitesse, cause des ondes de choc qui compriment et échauffent les gaz ambiants, explique Martin Harwitt, membre de l'université Cornell (Etats-Unis) et de l'équipe scientifique d'ISO. La vapeur d'eau échauffée que nous avons observée résulte de ces chocs. " Selon les modèles des astrophysiciens , les ondes de choc portent le gaz interstellaire à une température supérieure à 100°C, déclenchant des réactions chimiques qui associent l'hydrogènes à la majeure partie des atomes d'oxygène contenus dans le nuage et produisent ainsi de la vapeur d'eau. Tout cela paraît simple…
De fait, sur le papier, une molécule d'eau, c'est simple: deux atomes d'hydrogène accrochés à un atome d'oxygène , et le tour est joué, voilà H2O. Coup de chance, l'hydrogènes est l'élément chimique le plus abondant de l'univers, où il compte pour prés des 3/4 de la masse. L'oxygène arrive, pour sa part, en troisième position avec 1 % de la masse, derrière l'hélium (25%), les autres éléments (carbone, azote, néon, fer, magnésium, silicium…) se partagent le 1 % restant. La part importante de l'oxygène parmi les éléments lourds (soit tous les éléments autres que l'hydrogène et l'hélium, et fabriqués à partir de ces derniers au coeur des étoiles) rend alors possible la formation d'eau en quantité appréciable. Mais encore faut-il que les conditions physiques et chimiques soient favorables.

Ainsi la température ne doit être ni trop basse ni trop élevé. Au-delà de quelques milliers de degrés, aucune molécule ne résiste à l'agitation qui rompt les liaisons entre les atomes. Exit donc le coeur des étoiles , où la température atteint plusieurs millions degrés. En outre, les molécules doivent être protégées du rayonnement ultraviolet, omniprésent dans l'univers, qui brise lui aussi leurs liaisons. Il leur faut donc se cacher à l'abri d'une atmosphère filtrante, comme celle de la terre, ou dans des nuages de poussière interstellaire comme celui d'Orion. De telles contraintes physiques expliquent pourquoi seulement 1 % de la masse de l'univers se trouvent sous forme de molécules ( au lieu et d'atomes ). Côté chimie, il ne suffit pas de mettre en présence deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène pour voir le miracle se produire. La molécule d'eau résulte d'une cascade de réactions faisant intervenir d'autres molécules comme OH, CO, CO2, O2, ou des oxydes. Du coup, la fraction de l'oxygène qui se retrouve sous forme d'eau est assez faible: de 0,1 à 30 % du nombre total d'atomes d'oxygène, selon les conditions. Au final, les astrophysiciens estiment que les molécules de vapeur d'eau au sein des nuages de gaz interstellaire représentent grossièrement le millionième de la masse de l'univers.
Si on peut imaginer qu'elle existe dans toute la galaxie et même au-delà, l'eau semble donc malgré tout une denrée rare, concentrée dans ces " niches " privilégiées que sont les régions où naissent les étoiles. À ce titre, ce qui est vrai pour Orion a dû l'être tout autant pour la bulle où est né le soleil voilà 4,5 milliards d'années. C'est en effet dans une " usine chimique " analogue à celle qui vient d'être découverte qu'à certainement été produite la majeure partie de l'eau du système solaire. Sous forme de vapeur d'abord puis, en ce refroidissant, Sous celle de petites particules de glace. Ce fut le début d'une longue aventure pour les molécules d'eau. Attirés par la gravité du jeune soleil , grains de glace, gaz et poussières ont constitué autour de lui une nébuleuse protoplanétaire. Peu à peu de gaz et poussières se sont agglomérés en petits planétésimaux, qui a fusionné à leur tour au gré de collisions pour donner naissance aux corps armés qui vont désormais tourner autour du soleil: neuf planètes et leurs satellites, une foule d'astéroïdes et des milliards de comètes. Fin de la séquence ? Pas encore. L'histoire ultérieure de l'eau et l'une des clés pour comprendre la diversité du système solaire.
De ce point de vue, les feux du soleil ont délimité une indiscutable frontière quelque part entre Mars et Jupiter. Au delà , s'est ouvert le royaume du froid, peuplé de planètes géantes, de satellites de glace et de comètes. En deçà, la glace s'est vaporisée. Formées à partir de grains de poussière débarrassés de glace, les quatre planètes intérieures - Mercure, Venus, la Terre et Mars - étaient initialement dépourvues d'eau. De ce fait, l'eau y tient à présent une place infime (quelques 10 millième de la masse pour la terre par exemple ), car elle n'y est apparue que par la suite , selon deux processus. D'une part, l'intense activité volcanique du 1er demi-milliard d'années a provoqué un dégazage puis une cascade de réactions chimiques entre l'hydrogène, les silicates et les oxydes de carbone contenus dans les jeunes planètes, avec pour résultat la formation des molécules d'eau. D'autre part, le système solaire entier était à cette même époque le théâtre d'un bombardements d'astéroïdes et de comètes. De ces dernières venues des coffins du système solaire, étant constituées de glace, les astronomes en ont conclu qu'elles avaient pu à enrichir en eau les planètes intérieures. Mais si à cette époque primordiale les quatre planètes telluriques ont pu être enveloppées de vapeur d'eau, seule la terre à su la conserver, en particulier en la piégeant dans de vastes océans.

La faute au soleil : échauffée , la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère primitive de ces planètes s'est échappée vers l'espace. Plus précisément, les molécules d'eau se sont d'abord élevée jusqu'aux couches supérieures de l'atmosphère, où le rayonnement ultraviolet solaire les a dissociées en oxygène et hydrogène.
Très léger, ce dernier a alors rejoint le milieu inter planétaire. Ainsi Mercure, la petite planète la plus proche de notre étoile, s'est presque entièrement fait vider de son eau. Il faut dire que la température y atteint 430°C. Seuls quelques cratères situés près des pôles et qui ne voient jamais le soleil connaissent des températures de moins 170°C. En y trouve d'ailleurs de rares banquises de glace, seuls vestiges de l'eau passée. Les traces d'eau qu'a découvertes la sonde Lunar Prospector dans des cratères situés près du pôle sud lunaire ont la même origine, les bombardements cométaires, et sont restées cachées du soleil pendant peut être 3 milliards d'années. Malgré un scénarios légèrement différent, le bilan n'est pas meilleur sur Vénus. La température initiale, de l'ordre de 30°C, a monté en flèche sous l'effet d'un puissant effet de serre. Piégeant la chaleur de la planète, une épaisse couche de gaz carbonique (CO2) et de vapeur d'eau à ainsi élevé la température jusqu'à à 460°C et provoqué la fuite vers l'espace de la quasi-totalité de l'eau. Il n'en reste aujourd'hui que de faibles quantités dans l'atmosphère vénusienne.
Dans ce contexte, notre planète a donc eu beaucoup de chance. Son atout majeur, c'était d'être à la bonne distance du soleil, et d'avoir la bonne taille, ce qui lui a permis d'assurer à sa surface une température et une pression permettant à l'eau de se liquéfier. Appel peine les océans avaient-ils recouvert la terre primitive qu'ils ont dû piéger le CO2 de l'atmosphère, qui est tombé au fond sous forme de carbonate de calcium - le vulgaire calcaire -. Notre planète à ainsi évité l'emballement de l'effet de serre qui a déshydraté sa soeur Vénus. De plus, par ses propriétés chimiques particulières, l'eau liquide à favorisé l'apparition des molécules complexes qui sont à la base du vivant.
Une évolution que Mars ne semble pas avoir connue, même si les photographies prisent par la mission Mars Pathfinder l'an dernier et par la sonde Mars Global Surveyor, actuellement en orbite autour de la planète rouge, et révèlent les marques de bassins fluviaux et d'écoulements d'eau à grande échelle, confirmant ainsi les mesures de Viking faites voilà 20 ans. Mais ses océans, Mars les a perdus depuis des milliards d'années. " nous ne savons pas pourquoi l'atmosphère martienne a quasiment disparu, indique Thérèse Encrenaz, astrophysicienne à l'observatoire de Meudon. Avec une pression de 7 millibars, elle est désormais si ténue que l'eau liquide n'existe plus. Il ne reste qu'un peu de vapeur d'eau atmosphérique et des calottes de glace marquées par une forte évolution saisonnière. Mais au lieu de s'échapper vers l'espace, une partie de l'eau a dû être piégée dans le pergélisol, cette couche gelée qui se trouve jusqu'au-dessous de la surface de Mars. " Les prochaines missions martiennes doivent lancer les américains à la fin de l'année chercheront les traces de cette eau disparue.
L'eau glacée est au contraire à son aise dans les froides contrées éloignées du soleil, où on la trouve en quantité. Ainsi les planètes géantes Jupiter , Saturne, Uranus et Neptune sont elles en partie constituées de ces mêmes molécules d'eau déjà présentes dans les grains de poussière et de glace qui entouraient le soleil naissant. Les noyaux solides de ces quatre planètes sont peut être même partiellement de glace, pensent les astronomes - le chose difficile à vérifier... Seule les épaisses atmosphères de ces planètes géantes se laisse observer. Et à la grande surprise des astronomes, le satellite ISO a découvert la vapeur d'eau en abondance (et en quantité équivalente) dans la haute stratosphère des quatre planètes géantes et de Titan , le plus gros satellite de Saturne. D'où vient cette eau ? Certainement pas dans bas: l'atmosphères comporte en effet une zone très froide qui empêche la montée de la vapeur d'eau en la transformant en glace. Donc forcément de l'extérieur. " Soit cette eau provient du voisinage immédiat des planètes :de leurs anneaux, faits de blocs de glace, ou de leurs satellites à la surface gelée, suggère Thérèse Encrenaz. Soit elle a une origine interplanétaire. On sait en effet que la gravité des planètes attire un flux constant de micro météorites. Lesquelles pourraient être constituées de glace, ou bien renfermer des molécules d'oxygène qui réagiraient avec l'hydrogènes des atmosphères planétaires pour former de la vapeur d'eau. "

La sonde américaine Cassini lancée il y a deux ans ( 1997 ) en direction de Saturne permettra d'en savoir davantage, d'autant qu'elle emporte le module européen Huygens qui plongera dans l'atmosphère de Titan en 2004. L'espoir est grand d'y trouver une chimie organique peut être semblable à celle qui précéda l'apparition de la vie sur terre. Pour l'heure, c'est Europe, la 2e lune de Saturne, qui enflamme l'imagination. Toujours en orbite autour de Jupiter la sonde Galliléo l'a largement photographiée et a relevée à sa surface une banquise parcourue d'étonnantes fractures. Pour certains , c'est le signe qu'il existe un océan d'eau liquide à quelques dizaines de mètres sous la surface glacée. Or, l'eau liquide est l'élément indispensable au développement de la vie ! Pour en avoir le coeur net, les américains préparent une sonde qui devrait se poser à la surface d'Europe dans une dizaine d'années.
Reste une bonne part de l'eau issue de la nébuleuse primordiale et qui existe toujours, désormais sous forme de glace cométaire, aux confins du système solaire. On parle de 1000 milliards de comètes réparties entre la ceinture de Kuiper, située à une cinquantaine d'unités astronomiques (UA) du soleil, et le nuage de Oort qui s'étend jusqu'à quelques 50.000 UA - soit en gros la moitié de la distance qui sépare le soleil de l'étoile la plus proche, Alpha du Centaure. Bien que les astronomes les aient qualifiées de boules de neige sales dès les années 50, ce n'est qu'en 1976 que des mesures indirectes ont confirmé la justesse de cette appellation. Quant à observer l'eau directement dans ces blocs de poussière et de glace, il a fallu attendre 1985 et le passage de la comète de Halley aux abords du soleil ! Plus récemment, la visite de Hyakutake et Hale-Bopp , qui ont illuminé le ciel aux printemps 1996 et 1997, a permis de préciser le rôle que les comètes ont joué dans la formation des océans terrestres. Certains spécialistes juraient en effet qu'on devrait à ces astres errants toute l'eau de la terre. Or il s'en faut de beaucoup. " Nous avons mesuré les proportions relatives d'hydrogène et de deutérium (un isotope de l'hydrogène) dans le l'eau de ces comètes, explique Dominique Bockelée-Morvan, astronome à l'observatoire de Meudon. Ce rapport et deux fois supérieure à celui des océans terrestres."Un résultat qui interdit attribuer aux seuls apports extérieurs l'eau de la Terre. Les comètes n'ont pu contribuer à former les océans terrestres qu'à hauteur de 10 à 20% , estime Dominique Bockelée-Morvan. Le reste aurait été créé directement sur notre planète, ou proviendrait de corps, comme les météorites chondritiques, formés plus près du soleil.
Le soleil... Lui-même n'est pas vide d'eau, contrairement à ce qu'on pourrait penser . Depuis une quinzaine d'années, les astronomes ont en effet et détecté de faibles quantités d'eau dans les taches solaires, de même que sur des étoiles semblables à la nôtre. Dans ces petites taches sombres qui couvrent quelque cent millièmes de la surface de l'étoile, la température n'est "que " de 3000 à 3.200°C, permettant aux atomes et donc d'hydrogène et d'oxygène de s'associer pour former des molécules de vapeur d'eau. Mais elles ne durent jamais bien longtemps. Lorsque la tache disparaît, les molécules ne résistent pas aux 5.000°de la surface du soleil .En fait, seuls les astres " froids " comme les naines rouges et les naines brunes possèdent de petites quantités de vapeurs d'eau tout au long de leur vie. D'une manière générale, après avoir accompagné la naissance des étoiles, l'eau préside plutôt à leur agonie...

Pour les étoiles comme le soleil, tout commence au moment où elles entres dans la phase de géante rouge, qui marque le dernier dixième de leur vie. Leur atmosphère s'est alors bien refroidie. Beaucoup d'éléments lourds, dont l'oxygène, ayant été synthétisés dans les réactions thermonucléaires au coeur de ces étoiles, la vapeur d'eau s'y forme en abondance, comme en l'observe sur l'étoile Bételgeuse, une supergéante rouge. Une présence qui n'est pas sans conséquence.
" La vapeur d'eau limite la transparence du gaz de l'étoile, et le rayonnement a davantage de mal à sortir, explique Alain Omo, directeur de l'institut d'astrophysique de Paris. Du coup , l'étoile évacue moins bien sa chaleur. Ses couches externes deviennent plus chaudes, modifiant un peu sa couleur. " Dans l'étape suivante, celle dite de nébuleuse planétaire, l'étoile expulse ses couches externes, s'entourant d'une énorme enveloppe circumstellaire de gaz et de poussière plus froide que son atmosphère. "Les conditions de température et de pression favorisent alors la formation de molécules, dont l'eau est l'une des plus communes, reprend Alain Omont. L'observatoire spatial infrarouge ISO a d'ailleurs observé de la vapeur d'eau dans les enveloppes circumstellaires de nombreuses étoiles. "

Cette vapeur fraîchement formé ne reste jamais bien longtemps en l'état. Peu à peu , la nébuleuse planétaire s'étend et se refroidit. L'eau se dépose alors sur de petits grains de silicates et s'y transforme en glace, comme dans la nébuleuse planétaire du Lion givré, observée par Daniel Rouan et ses collègues en 1988."Le satellite Iras XII a fait soupçonner la présence de glace dans cette nébuleuse de la constellation du Lion , raconte l'astronome de l'observatoire de Meudon. Nous l'avons ensuite observée avec une caméra infrarouge au télescope Canada-France-Hawaï et nous n'avons pas été déçus: c'est dans sa catégorie l'astre le plus riche en glace que l'on connaisse. D'où son nom de Lion de givré ! "
Hélas, la vapeur d'eau et la glace produite par les étoiles mourantes résistent mal au rayonnement ultraviolet du milieu est interstellaire. Alors que la nébuleuse planétaires continuent à se disperser, ses molécules d'eau se dissocient. Les atomes ainsi libérés vont alimenter les nuages interstellaires qui, un jour, se rassembleront pour donner naissance, dans leurs parties denses, à de nouvelles étoiles. Le cycle recommence... Des molécules d'eau s'y formeront, comme l'a observé ISO dans le nuage d'Orion, prémices a de nouveaux systèmes planétaires comme le nôtre. Et à combien de planètes bleues couvertes d'océans ? Vraisemblablement bien plus qu'on ne pensait voilà quelques années.

Article paru dans Ciel et Espace n°339 d'Août 1998.