Adam Sarafian est venu à la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) en tant qu’étudiant diplômé pour apprendre comment la Terre a obtenu son océan en premier lieu.

« La grande question est de savoir comment et quand la planète a obtenu son eau », a déclaré Horst Marschall, l’un des conseillers en doctorat de Sarafian à la WHOI. « Tous les peuples ont des mythes sur l’origine de l’eau. Dans la Genèse de l’Ancien Testament, dans les mythes nordiques, et les mythes grecs aussi – c’est une vieille question. »

En effet, c’est l’une des plus anciennes questions du système solaire, et il y a deux réponses possibles, a déclaré Sarafian : « Soit la Terre était formée et sèche, assise là, attendant de l’eau, et l’eau est venue des comètes ou d’autres corps humides frappant la Terre relativement tard dans l’histoire. Ou bien, l’eau est venue de l’intérieur de la Terre – ce qui signifie que la Terre a obtenu son eau alors qu’elle était encore en formation, puis que les volcans ont dégagé de la vapeur et d’autres composés contenant de l’eau à la surface. »

Ironiquement, les réponses à ce mystère ne se trouvaient pas dans l’eau liquide mais dans des roches solides. Sarafian et ses collègues ont suivi un chemin laborieux pour extraire des preuves à partir de rares échantillons d’anciennes météorites tombées sur Terre.

Mais Sarafian n’était pas étranger à la persistance. Il a surmonté un trouble d’apprentissage qui lui rend la lecture difficile et a surmonté des hauteurs en tant que perchiste All-American – tout cela avant de lancer une carrière scientifique qui lui a maintenant permis de s’élancer à travers l’univers et de remonter le temps jusqu’à la période où la Terre était encore en formation.

Heights and hurdles

En troisième année, Sarafian a été diagnostiqué avec un trouble d’apprentissage. « Je ne pouvais pas vraiment lire un paragraphe et savoir ce que le paragraphe disait – n’importe quel paragraphe », a-t-il déclaré. « Au lieu de prendre des cours facultatifs, j’ai pris des cours d’éducation spécialisée. Cela a été une lutte tout au long de l’école – juste en essayant de me rendre capable de lire. »

Mais il est arrivé à être plutôt bon en athlétisme. « Ma mère possède une école de gymnastique à Eatontown, dans le New Jersey », dit-il. « J’ai grandi dans le gymnase. J’y traînais et je jouais quand ma mère travaillait. »

L’entraîneur d’athlétisme de son lycée l’a amadoué pour qu’il essaie la perche, et sur un coup de tête, il l’a fait.

« Dès ma première année, je me suis fixé comme objectif de remporter les championnats d’État », a-t-il dit. « Je me suis donc entraîné sans relâche. »

« Adam était méticuleux dans sa préparation et son attention aux détails », a déclaré son entraîneur, Mark DeSomma. « Il connaissait toutes les règles et tous les règlements. Lors de notre rencontre de championnat de conférence, il a informé le directeur de la rencontre que la fosse de saut à la perche n’était pas réglementaire. Le directeur de la rencontre lui a dit : ‘Fils, tu peux choisir de sauter ou de ne pas sauter, mais c’est notre fosse et elle ne va nulle part.’ « 

Sarafian a procédé à la rupture du record d’État de 16 pieds 6 pouces, qui tenait depuis 25 ans. Puis il a continué à sauter 17 pieds 4½ pouces lors de la rencontre du championnat de la conférence, sautant au-dessus du record par un étonnant 10½ pouces.

Cela lui a valu une bourse de saut à la perche à l’Université de Géorgie, où il est devenu un All-American NCAA. Dès sa dernière année, cependant, les blessures se sont accumulées.

« Je me suis cassé la main, quand j’ai cassé une perche. Et je me suis dit : ‘C’est ma dernière année, autant continuer. On va scotcher la main, ça va aller.’ Puis, à la fin de la saison, mes pieds ont commencé à me faire très mal. » Sarafian a achevé les deux derniers mois de sa carrière d’athlétisme en NCAA avec des fractures aux deux pieds.

L’athlétisme

Lors de la rencontre du championnat régional, Sarafian pouvait à peine marcher. « Après chaque saut, je ne pouvais même pas sortir du tapis. Je sortais en rampant. Je me suis dit : ‘Bon, je ne ferai pas les championnats nationaux, mais ça a été un bon parcours’. « 

Il était quelque peu soulagé pour une autre raison. À l’université, il avait commencé à développer une autre passion : la géologie. L’obtention d’un diplôme de géologie nécessitait deux mois de travail sur le terrain, qui commençaient à peu près en même temps que la rencontre du championnat national. « Puis l’officiel arrive et dit : « Tu es arrivé aux championnats nationaux ! ». « 

Lors des préliminaires des championnats nationaux, ses pieds étaient tellement enflés qu’il portait une plus grande taille de chaussures.

Ses pieds lui faisaient tellement mal qu’il ne supportait que de courtes courses jusqu’à la barre. « Je me suis dit : « Très bien, dernier saut, ça y est ! ». Je l’ai fait, et je me suis dit : ‘Au moins, je suis arrivé aux préliminaires nationaux’. Puis l’officiel s’est approché et m’a dit : « Tu es arrivée en finale », et j’ai dit : « Non ! Je dois aller faire du travail de terrain.’ « 

A la dernière minute, cependant, il a été éliminé du concours. « C’était doux-amer d’être éliminé, mais je savais que je n’étais pas du tout au top, et que mon corps se brisait. J’ai regardé les finales et encouragé tous mes amis. Deux jours plus tard, j’étais en Alaska avec des chaussures de randonnée, j’escaladais des montagnes, je faisais du travail de terrain en géologie. »

« L’épreuve de saut à la perche, a déclaré DeSomma, est répétitive, mesurée, avec de nombreux jours de frustration, des tentatives manquées de justesse et des échecs après échec, jusqu’à ces moments étonnants de réussite. La personnalité d’Adam était celle d’une poursuite incessante de l’excellence. »

Sarafian a canalisé cette énergie dans sa carrière scientifique après le saut.

Au début

La question de l’origine de l’eau de la Terre s’est d’abord posée dans les cours de premier cycle de Sarafian et s’est poursuivie alors qu’il poursuivait un master en Géorgie. « La réponse était toujours « nous ne savons pas ! ».  » a-t-il déclaré.

Au cours des jours naissants de notre système solaire, il y a environ 4,6 milliards d’années, la Terre et d’autres protoplanètes étaient encore en train de prendre forme, a expliqué Sarafian. À une certaine distance du soleil, il faisait trop chaud pour que l’eau reste stable, et toute vapeur aurait été soufflée par les vents solaires. Au-delà d’une distance suffisamment éloignée du soleil, appelée « ligne des neiges », l’eau pouvait exister sous forme de glace. Autour du bord intérieur de la ligne des neiges se trouvait une ceinture d’astéroïdes, dont un grand astéroïde appelé Vesta. « C’est presque comme une planète qui ne s’est pas entièrement formée », a-t-il déclaré.

Il y a environ 15 ans, « les scientifiques ont commencé à penser que l’eau de la Terre provenait peut-être des chondrites carbonées », a déclaré Sarafian. Il s’agit d’un type de météorite qui contient beaucoup d’eau. L’hypothèse était que l’orbite de l’immense protoJupiter a commencé à migrer plus près du soleil. Jupiter a dit : « Dégagez de mon chemin » et toutes ces chondrites carbonées riches en eau, situées à l’extérieur de la ligne des neiges, ont été projetées vers le soleil et toutes les planètes intérieures, Mercure, Vénus, la Terre et Mars. Elles percutaient Vesta ou même la Terre et s’incorporaient aux roches des planètes intérieures dans les 20 premiers millions d’années de formation du système solaire. »

Les scientifiques ont donc commencé à comparer l’eau de la Terre avec celle des chondrites carbonées. La clé est l’hydrogène, l’élément le plus abondant dans l’univers. L’hydrogène a deux isotopes – l’hydrogène normal, dont la masse est de un, et le deutérium ou « hydrogène lourd », dont la masse est de deux. La proportion de ces isotopes diffère dans les différentes parties du système solaire. Le soleil est principalement constitué d’hydrogène normal. Mais les comètes, constituées principalement de roches et de glace, se sont formées beaucoup plus loin du soleil et sont plus riches en deutérium. L’hydrogène de l’eau de la Terre se situe quelque part entre le soleil et les comètes.

Les mesures des isotopes de l’hydrogène dans les chondrites carbonées correspondaient très bien à l’eau de la Terre. Cela a donné du crédit à l’idée que l’eau de la Terre provenait des chondrites. Mais quand cela s’est-il produit ? Le problème était que les chondrites pouvaient avoir apporté de l’eau tôt, en se heurtant à la planète en croissance, ou tard, en frappant la Terre après sa formation. Pour le savoir, les scientifiques devaient trouver de l’eau dans des roches qui se sont formées très tôt, dans la même région et à la même époque que la Terre.

Une source prometteuse était un type de roche appelé eucrites. Ce sont des morceaux de l’astéroïde Vesta qui sont tombés sur Terre sous forme de météorites.

« Vesta a complètement gelé et s’est verrouillé environ 14 millions d’années après le début du système solaire, donc il a obtenu toute son eau avant », a déclaré Sarafian. « À l’époque, la Terre faisait un quart ou la moitié de sa taille et continuait de croître. »

Pour poursuivre sa quête, Sarafian a dû sauter deux obstacles : Il devait obtenir des échantillons rares d’eucrites, et il devait trouver un moyen de mesurer l’eau qu’ils contiennent.

Un appétit pour les apatites

Pour obtenir des eucrites, Sarafian a adressé une pétition aux institutions qui collectent des échantillons de météorites, comme la NASA, la Smithsonian Institution et l’American Museum of Natural History.

« Ce n’est pas si facile », a déclaré Marschall. « Vous devez les convaincre que ce que vous voulez faire vaut la peine d’être fait. Il les a convaincus, en tant qu’étudiant, sans même le soutien d’une institution. J’apprécie vraiment le dynamisme et la motivation d’Adam. »

Viennent ensuite les mesures. Contrairement aux chondrites, qui sont des roches sédimentaires riches en eau, Vesta et les eucrites sont constituées de basalte, un peu comme la roche qui compose les fonds marins.

Sarafian a appris que le géologue Nobu Shimizu du WHOI avait mis au point une technique pour mesurer l’eau piégée dans les poches de verre des roches basaltiques des fonds marins, en utilisant la Northeast National Ion Microprobe Facility du WHOI. M. Sarafian voulait mesurer l’eau dans un autre minéral commun aux roches du plancher océanique et aux météorites : l’apatite. Il a donc demandé à Shimizu et au géologue Henry Dick du WHOI s’il pouvait passer l’été au WHOI en tant qu’étudiant invité à travailler avec eux « pour prendre la technique qu’ils avaient déjà et la façonner pour mesurer l’eau dans les apatites. »

« Beaucoup de personnes dans le domaine planétaire auraient probablement dit : « Vous ne devriez pas mesurer cela – les apatites ne contiennent pas d’eau » », a déclaré Sarafian. Mais pour ses recherches de maîtrise en Géorgie, il a signalé pour la première fois la présence d’eau dans les eucrites.

Cette prouesse l’a inexorablement conduit à la question suivante : Quelle est la source de cette eau ? Ce qui l’a conduit à une autre barre haute à franchir : la mesure des isotopes de l’hydrogène dans des concentrations extrêmement faibles d’eau.

De l’eau, de l’eau partout

Après son master, Sarafian est naturellement retourné au WHOI. C’est là qu’il a rencontré Marschall et un autre géologue du WHOI, Sune Nielsen. Ils l’ont pris comme étudiant invité, pour un autre été puis un an, afin de poursuivre ses recherches pendant qu’il postulait pour intégrer le programme conjoint MIT-WHOI. Les deux sont maintenant les co-conseillers de Sarafian pour sa recherche de doctorat.

« Nous avons également un technicien de laboratoire génial à l’installation de microsonde ionique nommé Brian Monteleone », a déclaré Sarafian, « et nous avons commencé à comprendre comment nous allions faire les mesures. Brian dit toujours que ses projets préférés sont ceux où nous poussons notre machine à ses limites. »

Il y a deux problèmes. Premièrement, « nous mesurons une quantité infime d’eau de météorite, et nous devons nous assurer que nous ne mesurons rien d’autre. Nous pensons constamment que nous ne voulons pas mesurer d’eau terrestre. Et il y a de l’eau partout sur Terre. Nous devons décontaminer la machine du mieux que nous pouvons. »

Ils placent les échantillons sous un puissant vide pendant une semaine ou deux pour aspirer l’eau. Puis les échantillons passent dans la microsonde ionique dans des conditions de vide ultra poussé qui aspirent pratiquement tout l’air et l’eau. Pratiquement tout. Les chercheurs doivent encore prendre des mesures méticuleuses de concentrations extrêmement faibles de tout hydrogène résiduel, en calculant un standard d’hydrogène de base dans la machine, puis en le soustrayant de leurs calculs finaux.

La bonne nouvelle, c’est que la structure minérale de l’apatite empêche l’eau terrestre de s’y diffuser. Donc toute eau enfermée à l’intérieur est météorique. Mais les surfaces des roches peuvent toujours présenter des fissures infinitésimales qui peuvent piéger des quantités infinitésimales d’eau terrestre.

« Nous polissons les échantillons parfaitement plats avec le minimum de fissures possible, et cela demande beaucoup de polissage », a-t-il déclaré.

Préparation, visée, tir. Répétez.

La microsonde ionique concentre un faisceau d’ions sur une très petite zone d’un échantillon, d’environ 10 microns de large sur 10 microns de long et 1 micron de profondeur.

Le faisceau crache les ions de l’échantillon, qui sont propulsés dans un spectromètre de masse. Celui-ci détecte et distingue les ions en fonction de leur masse et de leur charge – dans ce cas, le rapport entre les ions hydrogène normaux et lourds.

« Nous analysons spécifiquement les fissures également, pour savoir quelle quantité d’eau pourrait s’y trouver et quel est son rapport isotopique », a-t-il déclaré. « Il s’agit donc de beaucoup de mise au point, d’alignement et de relance de nos étalons, et si le faisceau est décalé d’un petit peu, il y a des problèmes. Nous appliquons un grand nombre de normes et de fissures. Et chaque fissure que nous exécutons prend une heure. Chaque norme que nous exécutons prend une heure, et de temps en temps, nous obtenons un point de données. C’est minutieux, et nous devons jeter pas mal d’analyses parce que nous pensons qu’elles ne sont pas assez rigoureuses. »

A la fin, le rapport isotopique de l’hydrogène dans les eucrites ressemblait à celui de la Terre. « Cela signifie que l’eau au tout début du système solaire, lorsque les eucrites se sont formées, était exactement comme l’eau sur Terre aujourd’hui. »

L’étude, publiée en octobre 2014 dans la prestigieuse
journale Science, « montre que l’eau de la Terre a très probablement
acquis en même temps que la roche formant la planète », a déclaré Marschall. « La planète s’est formée comme une planète humide avec de l’eau en surface. »

« La réponse est que nos océans ont toujours été là », a déclaré Sarafian.

Lecture et écriture

Sarafian était l’auteur principal de l’article de Science, avec les coauteurs Nielsen, Marschall, Monteleone et Francis McCubbin de l’Institut de météorologie de l’Université du Nouveau-Mexique. Cela lui a fait se souvenir de ses années d’université où lire un article scientifique était encore un travail.

« Une fois que j’ai commencé à me concentrer sur la géologie, j’ai dit : « Je dois vraiment être capable de lire. Il y avait beaucoup de relecture d’articles, de surlignage, de notation à côté – des heures et des heures de cela. Au début, je ne regardais que les figures et les légendes. Je cherchais beaucoup de mots.

« Je m’enfermais dans ma chambre ou dans mon bureau et je restais debout de longues heures à relire des papiers. J’avais un sac de couchage et un four grille-pain dans le bureau, et j’y étais assez souvent. Je considérais cela comme un rattrapage de ma part par rapport à tout le monde, car je me sentais tellement en retard.

« Il a fallu un temps considérable et l’aide de beaucoup de personnes pour pouvoir lire un article scientifique et en tirer quelque chose. Finalement, j’ai pu lire des documents scientifiques rapidement et de manière approfondie pour en tirer toutes les informations. Mais je ne peux toujours pas lire de fiction. Je suppose que je ne suis pas disposé à consacrer autant de temps à la fiction. »

Voyageant plus loin dans le temps

La route de la recherche de Sarafian continue à un rythme soutenu. Il a commencé à analyser des échantillons de météores qui ont 10 millions d’années de plus que les eucrites. Ces morceaux météoritiques qui sont occasionnellement tombés sur Terre sont appelés angrites, et ils se sont formés environ quatre millions d’années après le début du système solaire.

« Si les angrites ont les mêmes isotopes d’hydrogène que Vesta et la Terre, cela signifie que de l’eau s’accrétait dans ces corps planétaires tout au long de leur formation, presque depuis le temps zéro », a-t-il déclaré. Il cherche également à savoir si d’autres éléments essentiels à l’apparition de la vie, tels que le carbone et l’azote, ont également pu accompagner l’hydrogène sur les chondrites carbonées et être livrés précocement à la Terre.

Sarafian passe désormais une grande partie de son temps au NASA-Johnson Space Center et au Carnegie Institute de Washington, où il utilise une installation de sondes ioniques spécialisée dans la mesure de quantités extrêmement faibles d’hydrogène et de carbone.

En attendant, quelque part, Vesta est toujours en orbite aux confins de notre système solaire, et un étudiant de premier cycle cherche le mot  » eucrite « .

Ces recherches sont soutenues par un prix Mellon de l’OMSI pour la recherche innovante, le fonds Ocean Venture de l’OMSI et une bourse d’études supérieures de la NASA.