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On doit à l'astronomeastronome américain d'origine allemande Rupert Wildt les premiers modèles encore largement utilisés de l'intérieur des planètes JupiterJupiter et SaturneSaturne, à savoir pour l'essentiel un petit noyau rocheux couvert d'une épaisse couche de plusieurs glaces (elle n'est pas uniquement formée d'eau) à l'intérieur d'une vaste atmosphèreatmosphère fluide, composée essentiellement d'hydrogène et d'hélium.
Ces modèles s'appliquent aussi à UranusUranus et NeptuneNeptune, à ceci près que ces géantes doivent posséder un manteaumanteau de glaces bien plus important entourant un noyau rocheux. Depuis quelques décennies, les modèles des géantes ont été affinés. Le fluide d'hydrogène et d'hélium de Jupiter et Saturne, liquide à grande profondeur, deviendrait aussi solide avec l'hydrogène qui acquerrait même des propriétés métalliques. Le méthane et l'ammoniac aussi contenus pourraient également donner lieu à la formation de diamant à l'intérieur de Neptune.
Un des modèles de l'intérieure de Neptune, qui doit aussi valoir pour l'intérieure d'Uranus. On distingue quatre enveloppes qui, en partant de la surface de la planète vers son centre, sont : la haute atmosphère, l'atmosphère composée de gaz d'hélium, d'hydrogène et de méthane, le manteau composé de glaces d'eau, d’ammoniac et de méthane et, enfin, le noyau rocheux. © Lunar and Planetary Institute
L'eau, le gaz carbonique et le méthane sous des millions d'atmosphères
Bien sûr, bien que nourris par les mesures de la composition des atmosphères des géantes et les estimations de leurs densités, ces modèles sont issus de calculs théoriques et, de nos jours, de simulations numériquessimulations numériques. On peut les explorer avec des expériences à hautes pressionspressions mais l'ordinateurordinateur est encore l'outil le plus puissant que l'on puisse mettre en œuvre dans ce but, comme le prouve un article publié dans Scientific Reports par des chercheurs russes de l'institut de PhysiquePhysique et de technique de Moscou (Moscow Institute of Physics and Technology ou MIPT en anglais).
Menés par le célèbre Artem Oganov, les physiciensphysiciens ont réalisé des simulations numériques avec un algorithme nommé USPEX (Universal Structure Predictor : Evolutionary Xtallography) et qui concerne le comportement de mélanges d'eau, de gaz carboniquegaz carbonique, d'hydrogène et de méthane à des pressions de plusieurs millions d'atmosphères, telles qu'on les rencontre à l'intérieur de Neptune et Uranus mais aussi au fond des océans des luneslunes glacées comme Europe.
Au-dessus de 0.93 million d'atmosphère, soit 93 gigapascals (GPa), le méthane devient instable, se décompose pour donner d'autres moléculesmolécules carbonées plus longues comme l'éthane, le butane et le polyéthylènepolyéthylène. Au-dessus de 1 GPa, on assiste en revanche à la formation d'acide carboniqueacide carbonique sous forme stable de formule H2CO3, ce qui ne manque pas d'étonner les chercheurs car, dans les conditions ordinaires, cette molécule est très instable et ne peut exister dans le vide qu'à très basses températures. Au-delà de 44 GPa, cet acide se convertit même en un polymèrepolymère stable.
L'acide orthocarbonique est parfois aussi appelé l'acide d'Hitler pour des raisons évidentes quand on voit sa formule dans l'espace. © via Wikipédia, DP
L'acide d'Hitler, une molécule encore inconnue sur Terre
L'étude menée par les physiciens russes a finalement couvert la région d'un diagramme ternaire carbonecarbone-hydrogène-oxygèneoxygène allant jusqu'à 4 millions d'atmosphère, soit 400 GPa. L'un des résultats les plus intéressants serait l'apparition, à partir de 314 GPa, d'une réaction entre l'acide carbonique et l'eau qui donnerait une molécule théorisée depuis un bon moment mais encore jamais observée. Elle a été baptisée l'acide d'Hitler parce que sa forme dans l'espace, avec une formule bruteformule brute H4CO4, fait penser à la fameuse croix gammée, la swastika. Selon Oganov, à grandes profondeurs, Neptune et Uranus pourraient contenir de grandes quantités d'acide carbonique stable, de son polymère ainsi que d'acide orthocarbonique, le nom scientifique de l'acide d'Hitler.
Le physicien pense également que, si les simulations avec USPEX sont correctes, le noyau rocheux d'Europe ne serait pas en contact direct avec son océan mais serait enrobé d'acide carbonique cristallisé, ce qui supprimerait les réactions envisagées par les planétologues entre ce noyau silicaté et l'eau de cet océan. Sa chimiechimie étant changée, il faudrait peut-être aussi revoir ce que l'on pense des formes de vie qui pourraient s'y être développées.
