Exoplanètes : l'intérieur des superterres est reproduit sur Terre

Ce 3 mars 2022, presque 5.000 exoplanètes ont été découvertes par les yeuxyeux de la noosphère dont plusieurs sont sur orbite comme le satellite TessTess, successeur de Kepler. On attend des révélations au sujet de certaines d'entre elles quand le regard du télescope James-Webb se portera sur elles et leurs atmosphèresatmosphères à la recherche de biosignatures potentielles.

Mais en attendant, les exobiologistes peuvent tenter d'évaluer les chances que certaines exoplanètes rocheuses dans la zone d'habitabilité puissent être favorables à l'apparition puis l'évolution de la vie, telle que nous la connaissons, en tentant de modéliser l'intérieur de ces exoplanètes et notamment dans le cas des superterres.

Nous savons bien que, dans le cas de notre Planète bleue, son manteau intervient dans la géodynamique de la tectonique des plaquestectonique des plaques, laquelle a impacté l'évolution de la vie sur Terre avec la dérive des continents, ou des éruptions colossales comme celles de TrappsTrapps sibériennes, et que son noyau produit un champ magnétique protecteur contre les rayons cosmiquesrayons cosmiques via sa géodynamo dont le fonctionnement a été exploré en labo avec l’expérience VKS. Il se pose donc naturellement la question de savoir si ces phénomènes peuvent se reproduire sur d'autres planètes telluriquesplanètes telluriques en dehors du Système solaireSystème solaire.

C'est un problème de planétologie comparée transposant aux exoplanètes les données de géophysique et de la géochimie sur Terre dans le cadre de la cosmochimie et de l'astrophysiqueastrophysique, ce que l'on fait depuis des années avec des simulations numériquessimulations numériques sur ordinateurordinateur ou des expériences de physiquephysique des hautes pressionspressions avec notamment des cellules à enclumes de diamantdiamant.

Le manteau des superterres à la pointe de diamants

Comme Futura l'avait déjà expliqué dans l'article précédent ci-dessous, une équipe formée de plusieurs chercheurs dont certains étaient de la Carnegie Institution for Science (Washington, D.C) avait déjà exploré en laboratoire la physique et la chimiechimie de l'intérieur des superterres avec la Z-machineZ-machine. Aujourd'hui, ce sont à nouveau des membres de cette institution qui ont mené de nouvelles expériences sur ce sujet avec des cellules à enclumes et qui ont combiné les résultats obtenus avec des simulations numériques comme il est expliqué dans un article publié dans Proceedings of the National Academy of Sciences mais que l'on peut consulter sur arXiv.

Les minéraux silicatés constituent la majeure partie du manteau terrestre et sont considérés comme un composant majeur de l'intérieur d'autres planètes rocheuses. Sur Terre, les changements structurels induits dans les silicates dans des conditions de pression et de température élevées définissent des limites clés dans l'intérieur profond de la Terre. L'équipe de recherche s'est intéressée à sonder l'émergence et le comportement de nouvelles formes de silicate dans des conditions imitant celles trouvées dans des mondes lointains comme les superterres qui peuvent contenir jusqu'à 10 fois la masse de la Terre. © Kalliopi Monoyios

Les roches du manteau de la Terre sont des silicatessilicates et les données de la cosmochimie, les observations de disques protoplanétairesdisques protoplanétaires nous indiquent que des silicates sont présents dans ces disques et que les exoplanètes rocheuses doivent contenir aussi des silicates même si l'on envisage aussi des exoplanètes carbonées.

Des superterres sont plus massives que notre Planète bleue donc il est à priori encore plus difficile de sonder la physique et la minéralogie de leurs intérieurs que dans le cas de la Terre ou des géantes du Système solaire. Mais l'équipe menée par les chercheurs du Carnegie's Earth and Planets Laboratory a eu recours à une astuce. Les propriétés physico-chimiques de l'atomeatome de germaniumgermanium sont proches de celles de l'atome de siliciumsilicium et les calculs laissaient penser que des analogues des silicates, des germanates, pouvaient se comporter de façon similaire.

Des expériences en cellules à enclumes de diamant avec du germanate de magnésiummagnésium de formule Mg₂GeO₄  devaient permettre de vérifier des prédictions de transition de phasetransition de phase entre deux phases, deux types de structures cristallines des silicates dans le manteau de superterres à des pressions et des températures plus basses.

Il s'est avéré que, sous une pression de deux millions d'atmosphère, une nouvelle phase a émergé avec une structure cristalline distincte qui implique un atome de germanium lié à huit atomes d'oxygèneoxygène alors que, dans des conditions ordinaires, la plupart des silicates et des germanates sont organisés en ce qu'on appelle une structure tétraédrique, un silicium ou germanium central lié à quatre autres atomes. Cependant, dans des conditions extrêmes, cela peut donc changer et l'on savait déjà que, sous des pressions extrêmes, les silicates pouvaient prendre une structure orientée autour de six liaisons, au lieu de quatre, ce qui avait complètement changé la donne en termes de compréhension de la dynamique de la Terre profonde.

On peut donc penser que la découverte de l'apparition d'une liaison octuple pourrait avoir des implications tout aussi révolutionnaires sur la façon dont nous pensons à la dynamique des intérieurs d'exoplanètes rocheuses

En travaillant avec du germanate de magnésium, Mg₂GeO₄, analogue à l'un des minéraux silicatés les plus abondants du manteau, l'équipe a pu glaner des informations sur la minéralogie potentielle des superterres et d'autres grandes exoplanètes rocheuses. © Rajkrishna Dutta

La Z-machine en plein fonctionnement. Malgré la présence d'eau dé-ionisée pour assurer une isolation d'une partie du dispositif, des éclairs impressionnants sont produits. © Sandia Corporation 

Des scientifiques reproduisent l'intérieur des superterres sur Terre avec la Z-machine

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 11/02/2021

Les superterres ont des tailles supérieures à celle de la Terre et si elles possèdent des atmosphères, certaines sont peut-être habitables. On cherche à déterminer à quelles conditions leurs manteaux peuvent fondre en donnant un noyau liquideliquide métallique générant un champ magnétique protecteur, en reproduisant sur Terre l'état de ces manteaux rocheux.

Une équipe de physiciensphysiciens vient de publier dans Nature Communications les résultats de travaux qui auraient sans aucun doute intéressé Percy Williams Bridgman (1882-1961), l'un des pionniers de la physique des hautes pressions. En mettant au point une technique permettant de soumettre des échantillons de matièrematière à des pressions dépassant 100.000 atmosphères, le physicien a fait des découvertes qui lui ont valu le prix Nobel de physique de 1946. On peut citer, par exemple, celle de l'existence de nouvelles phases de la glace.

On lui doit surtout l'idée des cellules à enclumes, qui ont permis de faire des expériences concernant l'état des roches à l'intérieur de la Terre ou de la matière dans le cœur des planètes géantesplanètes géantes comme Jupiter. Les cellules à enclumes de Bridgman étaient initialement composées de carburecarbure de tungstènetungstène. Elles ont pavé la voie aux cellules à enclumes de diamant, que l'on utilise aujourd'hui de façon routinière pour les expériences de physique à haute pression.

Le prix Nobel de physique 1946 Percy Williams Bridgman (1882-1961) a ouvert la voie à l'étude de la matière à haute pression à l'intérieur des planètes. Il a eu comme étudiants Robert Oppenheimer, le grand géophysicien Francis Birch et le futur prix Nobel de physique (1977) John Hasbrouck van Vleck. On le considère comme l'un des théoriciens les plus influents de l'opérationnalisme en épistémologie. © Fondation Nobel

De la Terre aux superterres

Aujourd'hui, les spécialistes des hautes pressions et les planétologues ont des ambitions encore plus larges. Ils veulent comprendre les intérieurs des exoplanètes et en particulier de celles qui sont rocheuses. Cette compréhension est d'importance pour préciser les conditions d'habitabilité des exoplanètes telluriques et donc contribuer à faire progresser l'exobiologieexobiologie.

L'étude de la Terre nous a appris que son habitabilité était reliée à la tectonique des plaques qui joue un rôle de régulateur en ce qui concerne un emballement par effet de serreeffet de serre ou, au contraire, l'entrée dans une glaciationglaciation quasi globale avec le gaz carboniquegaz carbonique. La présence d'un important bouclier magnétique représente un facteur de protection contre l’érosion de l’atmosphère qui a été fatale dans le cas de Mars.

Si l'on transpose ces considérations aux exoplanètes et en particulier aux superterres, il apparaît donc normal de modéliser l'intérieur des superterres pour obtenir des connaissances supplémentaires, nous permettant d'évaluer à quel point elles peuvent permettre l'apparition de la vie et son évolution vers des formes complexes. On ne peut pas séparer l'atmosphère d'une exoplanète tellurique de son intérieur et des échanges existant entre eux. Mais pour atteindre autant que possible une modélisationmodélisation scientifique de l'intérieur des superterres, il faut non seulement faire des calculs analytiques et des simulations numériques mais être guidé par des expériences. Expériences servant aussi à contrôler la validité des hypothèses et des théories proposées.

Le destin des atmosphères des superterres est en partie déterminé par l'existence d'un champ magnétique protecteur généré par une dynamo interne. Ce photomontage avec des vues d'artiste et une photo de la Z-machine en fonctionnement illustre cette idée. © Eric Lundin, photo de la Z-Machine Randy Montoya

La striction magnétique pour sonder la physique des hautes pressions

Mais pour reproduire sur Terre les conditions de pression et de température régnant au cœur des superterres, il est bon de disposer d'instruments spectaculaires, car la performance n'est en rien évidente. Heureusement, une équipe de chercheurs états-uniens des laboratoires SandiaSandia à Albuquerque (Nouveau-Mexique) et de la Carnegie Institution for Science (Washington, D.C) disposait de la fameuse Z-machine.

Elle a fait parler d'elle en atteignant de façon imprévue des températures de deux milliards de degrés en 2006 en utilisant une technique de compression de la matière dite à striction axialeaxiale (ou appelée aussi Z-pinch, ce qui explique le nom de la machine). Tout comme dans le cas de la fusionfusion inertielle par laser, cela permet de comprimer une capsule de combustiblecombustible, donc un cylindre à symétrie axiale, à l'aide d'impulsions magnétiques. On parle de magnetized liner inertial fusion (Maglif).

Transformés en exogéophysiciens, les chercheurs ont mené leurs travaux en utilisant un silicate de magnésium dont on sait qu'il est le plus abondant dans le manteau terrestremanteau terrestre et qui a reçu le nom de bridgmanite en l'honneur du pionnier de la physique des hautes pressions.

Des superterres protégées par des champs magnétiques ?

Les échantillons de bridgmanite ont été pris en sandwich entre des plaques de cuivrecuivre et d'aluminiumaluminium de la taille d'une carte de crédit. Ces plaques étaient propulsées à la vitessevitesse d'une balle de fusil sous l'action de champs magnétiques générés par des courants de 26 millions d'ampèresampères.

L'impact des plaques sur les échantillons de roche y a provoqué l'équivalent des ondes sismiquesondes sismiques. Les vitesses de propagation de ces ondes et leurs autres caractéristiques étant reliées à l'état de la matièreétat de la matière traversée, il était possible d'en déduire si l'on était en présence d'un liquide, d'un gaz ou d'un solidesolide et donc de dresser les courbes - les abaquesabaques décrivant les changements d'état de la bridgmanite en réponse aux pressions générées.

Forts de ces résultats, les planétologues ont pu préciser à quelles conditions de tailles et de compositions des superterres allaient posséder un noyau métallique liquide issu de la fusion de leur manteau et capable de générer une magnétosphèremagnétosphère protectrice. Ils en ont déduit que plusieurs superterres déjà connues pouvaient être prometteuses pour des observations plus détaillées dans un futur proche, car susceptibles d'avoir conservé une atmosphère grâce à leurs champs de gravitégravité et à un bouclier magnétique.

En l'occurrence, il s'agit de 55 Cancri e ; Kepler 10b, 36b, 80e, et 93b ; CoRoTCoRoT-7b ; et HD-219134b.