Tholin

Le tholin (du grec ancien θολός / tholós, « encre de seiche »^[1], en référence à l'aspect et à la couleur), ou la tholine (le genre n'est pas fixé par l'usage), désigne une substance organique plus ou moins azotée de poids moléculaire élevé (~ 8 kDa), de couleur rouge brun (sépia) et de structure mal connue, qu'on trouve à la surface de nombreux astres du Système solaire externe. Le tholin est composé de molécules diverses, ce qui fait qu'on l'écrit également au pluriel : les tholins, les tholines, en référence aux composés ou aux molécules qui le constituent (toutes ces formes lexicales se rencontrent dans la littérature francophone).

Les mécanismes exacts de la formation du tholin ne sont pas connus, mais il s'en forme sous l'action du rayonnement ultraviolet sur des composés organiques simples, tels que des hydrocarbures légers (méthane CH₄, éthane C₂H₆, éthylène C₂H₄, etc.), en présence d'azote N₂ et/ou d'eau H₂O.

On ne trouve pas de tholin à la surface de la Terre mais on en trouve au contraire en abondance sur les satellites des planètes géantes, ainsi que, sans doute, sur les planètes naines et les petits corps du Système solaire. On en a également détecté dans le système stellaire de l'étoile binaire HR 4796 à l'aide de l'instrument NICMOS du télescope spatial Hubble.

Différents tholins

Généralement de couleur rouge-brun, le tholin a une structure moléculaire difficile à caractériser car les résidus sont essentiellement insolubles.

Les tholins de Titan et de Triton, satellites respectivement de Saturne et de Neptune, sont des substances organiques riches en azote du fait de l'action des ultraviolets sur des mélanges d'azote N₂ et de méthane CH₄ : l'atmosphère de Titan est en effet composée d'azote avec 1,4 % de méthane dans la stratosphère, taux qui augmente en se rapprochant du sol pour atteindre 4,9 % en dessous de 8 km d'altitude, où on trouve également des traces d'autres hydrocarbures légers tels que l'éthane C₂H₄, le diacétylène C₄H₂, le méthylacétylène C₄H₄, l'acétylène C₂H₂ et le propane C₃H₈, ainsi que du cyanoacétylène HC₃N, du cyanure d'hydrogène HCN et divers autres gaz ; l'atmosphère de Triton est, quant à elle, est un peu moins bien connue et semble composée essentiellement d'azote N₂ avec des traces de méthane CH₄.

A contrario, le tholin « de glace » résulte de l'irradiation de clathrates de méthane CH₄ et d'éthane C₂H₆ dans de la glace d'eau et est donc dépourvu d'azote ; le plutino Ixion serait particulièrement riche en ce genre de composés.

Occurrence dans l'Univers

Du tholin, qu'il soit dit « de glace », « de Triton » ou « de Titan », a été identifié en abondance sur les objets du Système solaire externe, notamment les satellites des planètes géantes, et selon toute vraisemblance sur des planètes naines et des petits corps du Système solaire, notamment des centaures et des comètes.

La brume orangée de l'atmosphère de Titan pourrait être due à des aérosols de tholin, ainsi que la couleur rouge orangé de nombreux centaures et astéroïdes, voire celle de certaines bandes nuageuses de Jupiter et de Saturne. On en a peut-être également trouvé dans le disque protoplanétaire d'étoiles jeunes, telles que HR 4796.

Certaines théories font intervenir du tholin apporté sur Terre par des comètes pour expliquer l'origine de la vie sur notre planète, notamment suite à l'expérience de Miller-Urey dont les hypothèses de départ se sont révélées ne plus être en accord avec les modèles les plus récents d'atmosphère primitive de la Terre.

Formation

(en) Formation du tholin dans la haute atmosphère de Titan.

Le tholin ne peut pas se former dans un milieu oxydant, ce qui explique son absence actuelle à la surface de la Terre. En revanche, on a pu en synthétiser en laboratoire en appliquant des décharges électriques produisant des éclairs dans un mélange de méthane CH₄, d'ammoniac NH₃ et de vapeur d'eau H₂O. Des expériences avaient alors montré que le tholin produit à basse pression tendait à incorporer l'azote au centre de ses molécules tandis que celui produit à pression élevée tendait à l'incorporer aux extrémités de ses molécules^[2].

Un mécanisme alternatif a été proposé en 2007 par des chercheurs du Southwest Research Institute, de l'Université du Texas à San Antonio, de l'Université du Kansas, et de l'University College de Londres, suite à l'identification de benzène C₆H₆ par la sonde Cassini-Huygens dans l'atmosphère de Titan^[3]. La surprise est venue de la découverte de grands cations et anions à basse altitude, dans les aérosols, ions dont on pense qu'ils jouent un rôle important dans la formation du tholin. Ce dernier, chargé négativement, a un poids moléculaire d'environ 8 kDa et se formerait à partir de composés intermédiaires chargés dont la masse est comprise entre 80 et 350 Da.

Propriétés

Les aérosols de tholin de l'atmosphère de Titan absorbent efficacement le rayonnement ultraviolet^[4] et en protègent la surface du satellite.

Sur Terre, une grande variété de bactéries du sol sont capables de métabloliser le tholin produit en laboratoire par décharges électriques dans un mélange de méthane CH₄, d'ammoniac NH₃ et de vapeur d'eau H₂O^[5]. Le tholin pourrait ainsi avoir été la « nourriture » des premiers organismes hétérotrophes apparus sur notre planète.

Références

1. ↑ (fr) A. BAILLY, abrégé du dictionnaire GREC FRANÇAIS – Page 244 θολός, οῦ (ὁ) : sépia.
2. ↑ (en) University of Michigan – 3 septembre 2004 « Comprehensive Two Dimensional Gas Chromatography Study of Tholin Samples Using Pyrolysis Inlet and TOF-MS Detection. »
3. ↑ (en) J. H. Waite, Jr., D. T. Young, T. E. Cravens, A. J. Coates, F. J. Crary, B. Magee, J. Westlake, « The Process of Tholin Formation in Titan's Upper Atmosphere », dans Science, vol. 316, n^o 5826, 11 mai 2007, p. 870-875 (ISSN 0036-8075) [texte intégral (page consultée le 13 novembre 2010)] 
   DOI:10.1126/science.1139727
4. ↑ (en) SpectroscopyNOW.com – 15 octobre 2006 « Mooning over Titan's atmosphere. »
5. ↑ (en) C. R. Stoker, P. J. Boston, R. L. Mancinelli, W. Segal, B. N. Khare et C. Sagan, « Microbial metabolism of tholin », dans Icarus, vol. 85, n^o 1, mai 1990, p. 241-256 [texte intégral (page consultée le 14 novembre 2010)] 
   DOI:10.1016/0019-1035(90)90114-O

Annexes

Articles connexes

• Kérogène

Liens externes

• Laboratoire Interuniversitaire des Systèmes Atmosphériques – UMR CNRS 7583, unité mixte de l'Université Paris-Est Créteil, l'Université Paris VII - Diderot et du CNRS.