Une possible coupe de l'exoplanète 55 Cancri e. Une surface de graphite y entourerait une épaisse couche de diamant, en dessous de laquelle se trouvent une couche de minéraux de silicium et un noyau de fer en fusion. © Haven Giguere
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Des exoplanètes auraient bien un manteau de diamants

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[EN VIDÉO] Les exoplanètes  Qu'est-ce qu'une exoplanète, où les trouve-t-on et pourquoi sont-elles si intéressantes ? Réponse en vidéo ! 

Certains planétologues ont avancé que Neptune et Uranus pourraient abriter un cœur de diamant en raison des hautes pressions sur des matériaux carbonés. Par la suite, d'autres ont proposé que certains systèmes planétaires, nés à partir d'un disque de poussières particulièrement riches en carbone, des planètes telluriques carbonées, pourraient avoir des manteaux largement constitués de diamant. Aujourd'hui, des expériences de physique des hautes pressions accréditent cette thèse.

La découverte d'exoplanètes autour d'étoiles encore sur la séquence principale date de 25 ans déjà et elle a valu un prix Nobel à ses auteurs. Tout comme la diversité des planètes du Système solaire avait surpris avec les missions Voyager, ces exoplanètes ont déboulonné bien des idées reçues et ont ouvert des portes à des spéculations testables avec des instruments comme Kepler et maintenant, Tess. On suspecte l'existence de planètes océans ou à l'inverse de véritables Arrakis.

Depuis quelques années, on a même des indications en faveur de l'existence de planètes très riches en carbone alors que les planètes telluriques du Système solaire, comme la Terre ou Mars, sont riches en silicates, donc en oxydes de silicium. C'est peut-être le cas de l'exoplanète 55 Cancri e, une planète très chaude avec, dans un scénario théorique étudié, une surface de graphite qui entourerait une épaisse couche de diamant, en dessous de laquelle se trouveraient une couche de silicium à base de minéraux et un noyau de fer en fusion au centre. En effet, les expériences faites sur Terre concernant la physique des hautes pressions ont justement montré que les diamants terrestres les plus communs (les diamants noirs, rares, sont probablement d’origine extraterrestre) sont synthétisés à partir du carbone à hautes pressions et températures dans les entrailles de notre Planète.

Une vue d'une presse à enclumes de diamants pour les expériences de physique des hautes pressions. © Shim, ASU

Des planètes nées dans des disques protoplanétaires enrichis en carbone

Comment de telles planètes peuvent-elles se former ? Il se trouve que la chimie de la Voie lactée évolue au cours du temps et des générations d'étoiles massives vivant quelques millions d'années tout au plus et qui finissent par exploser en donnant des supernovae. Elles dispersent alors dans l'espace interstellaire les atomes qu'elles ont synthétisés, en particulier, du carbone, de l'oxygène, du fer et du silicium.

Certains nuages moléculaires où vont se former de nouvelles étoiles entourées d'un cortège de planètes vont donc avoir une composition plus ou moins enrichie en carbone ou en silicium. Ainsi, des étoiles et leurs exoplanètes vont-elles se former conjointement avec un rapport carbone sur silicium plus ou moins élevé, ce qui peut donc donner des exoplanètes dites carbonées comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous. C'est aussi ce qu'ont expliqué pour la première fois les astrophysiciens Marc J. Kuchner et Sara Seager, en 2005, quoi qu'il soit nécessaire de rappeler que leur hypothèse avait en fait été suggérée par les travaux de la cosmochimiste Katharina Lodders. En 2004, à la suite des mesures des abondances de méthane (CH4) et d'eau dans l'atmosphère de Jupiter réalisées par la sonde Galileo, Katharina Lodders avait déduit que cette planète du Système solaire était appauvrie en oxygène mais enrichie en carbone.

Selon la chercheuse, cela suggérait que l'embryon planétaire à l'origine de la géante -- qui s'était développé dans le disque protoplanétaire initial autour du Soleil -- devait s'être formé dans une zone particulièrement riche en carbone. En cas de migration planétaire, l'enveloppe gazeuse d'un tel embryon aurait pu être soufflée en s'approchant du Soleil, laissant une superterre particulièrement riche en carbone.

« La minéralogie a plusieurs volets ici, et ce qui nous rassemble tous, ce sont des méthodes, les échelles d'observations... » Entretiens avec Guillaume Fiquet, chercheur CNRS-IPGP-IMPMC, et des membres de son équipe. On y parle des presses à enclumes de diamant. © IPGP

Carbure de silicium et eau, une recette pour faire des diamants

Les progrès de la physique des hautes pressions, notamment en utilisant des lasers et des presses à enclumes de diamant, permettent aujourd'hui d'explorer aussi en laboratoire la physique des exoplanètes exotiques, notamment de ces planètes carbonées qui sont théoriquement susceptibles d'avoir un manteau de diamant comme c'est peut-être le cas avec 55 Cancri e. On en voit un exemple avec un article publié dans The Planetary Science Journal par une équipe de géophysiciens et de planétologues de l'Arizona State University (ASU) et de l'University of Chicago (UC)

Allen-Sutter et ses co-auteurs, Emily Garhart, Kurt Leinenweber et Dan Shim de l'ASU, avec Vitali Prakapenka et Eran Greenberg de l'UC, ont voulu tester l'hypothèse que ces exoplanètes, riches en carbone, pouvaient convertir cet élément en diamant et même produire avec lui des silicates en présence d'eau dans les profondeurs de ces astres.

Le matériau de base est censé être du carbure de silicium de formule SiC. Sur Terre, on peut le fabriquer en laboratoire et il se présente comme une céramique ultraréfractaire, ultradure et semiconductrice. Dans la nature, cette céramique est très rare et se présente sous la forme d'un minéral appelé la moissanite.

Dans le cas présent, les chercheurs ont donc comprimé avec une presse à enclumes de diamant un mélange de SiC et d'eau, chauffé à travers les diamants par un laser du laboratoire national d'Argonne, dans l'Illinois, et dont la structure et ses changements ont été mesurés par une technique de diffraction des rayons X. Comme prévu, des diamants et de la silice en ont résulté.

Sur des planètes carbonées avec une croûte en graphite et un manteau de carbure de silicium, la formation d'océans avec des apports d'eau par des comètes ou des astéroïdes devraient conduire à la formation de diamants et de silice en profondeur comme le montre ce schéma. © Harrison, ASU
Pour en savoir plus

Des exoplanètes auraient un manteau de diamant

Article de Laurent Sacco publié le 06/06/2014

Depuis des décennies, certains planétologues pensent que Neptune et Uranus pourraient abriter un cœur de diamant. Dans d'autres systèmes planétaires, nés à partir d'un disque de poussières particulièrement riches en carbone, des planètes telluriques pourraient être largement constituées de diamant. Ces exoplanètes solides carbonées nous apparaîtraient sans doute très étranges en comparaison des planètes silicatées comme la Terre ou Mercure.

La première exoplanète autour d'une étoile sur la séquence principale a été découverte il y a presque 20 ans, en 1995. Elle a surpris les planétologues et les astronomes, car il s'agissait d'une Jupiter chaude. Nous connaissons aujourd'hui près de 1.800 exoplanètes et nous avons acquis la conviction que la formation d'un cortège planétaire accompagne presque toujours la naissance d'une étoile. Bien que des ressemblances avec notre Système solaire aient pu être mises en évidence en étudiant les autres systèmes planétaires, il n'est pas rare de trouver des géantes gazeuses proches de leur étoile hôte ainsi que des superterres. Contrairement à ce que beaucoup pensaient, il est même possible que des planètes se forment dans un système binaire. Comme, dans notre Galaxie, les étoiles doubles sont les plus nombreuses, avec les naines rouges, notre civilisation, qui a évolué sur une planète en orbite autour d'une étoile unique, qui plus est une naine jaune, devrait apparaître assez exotique à d'éventuels extraterrestres qui auraient découvert le secret du voyage interstellaire.

On commence tout juste à explorer la mécanique céleste des exosystèmes planétaires, à les imager directement et à analyser la composition chimique de certaines atmosphères d'exoplanète. La découverte des Jupiter chaudes, qui contredisait les modèles de formation planétaire construits sur les bases des observations dans le Système solaire, nous a rendus prudents. Tout ce que nous savons maintenant laisse soupçonner que le monde des exoplanètes a encore beaucoup de surprises en réserve. Il existe sans aucun doute des planètes océans à découvrir, des mondes qui doivent ressembler à l'Arrakis de Dune et d'autres à l'exogéologie surprenante.

Des exoplanètes contenant jusqu'à 75 % de carbone

Sur ce dernier point et depuis quelques années, les planétologues et les astrophysiciens jouent avec une idée fascinante, celle d'exoplanètes carbonées. En effet, les disques protoplanétaires où naissent les exoplanètes contiennent des poussières silicatées et d'autres riches en carbone. Selon les proportions de ces poussières, il doit se former par endroits des planètes contenant beaucoup de silicates et peu de carbone comme ce fut le cas avec les planètes rocheuses de notre Système solaire) et ailleurs, à l'inverse, des mondes presque dépourvus de silicates. Alors que la Terre ne contient que 0,005 % de carbone, ces exoplanètes pourraient par exemple être constituées en grande partie de diamant et de graphite. C'est d'ailleurs la conclusion à laquelle est arrivé Nikku Madhusudhan dans le cas de l'exoplanète 55 Cancri e.

Ce nodule de péridotite dans une bombe volcanique est essentiellement constitué d’olivine, de pyroxène et d’amphibole. Les péridotites sont l’une des composantes majeures du manteau de la Terre. Dans le cas des exoplanètes carbonées, le diamant pourrait tenir ce rôle. © Dominique DecobecAvec ses collègues Debra Fischer et John Moriarty de l’université Yale, Madhusudhan vient de publier sur arxiv les résultats de leurs travaux sur la détermination des conditions propices à la formation des planètes carbonées. Les premiers modèles développés pour répondre à cette question ne tenaient pas vraiment compte de l’évolution chimique du disque protoplanétaire. Ils prédisaient que des planètes carbonées ne pouvaient apparaître que si le rapport des quantités de carbone et d’oxygène (rapport C/O) dans le disque était supérieur à 0,8.Exoplanètes carbonées exotiquesEn tenant compte de l’évolution chimique du disque, les prédictions du modèle de formation des planètes carbonées sont maintenant un peu différentes. Tout d’abord, avec le même rapport concernant le carbone et l’oxygène, on arrive à la conclusion que les exoplanètes carbonées peuvent se former à une plus grande distance de leur étoile. Mais surtout, ce rapport peut maintenant être aussi bas que 0,65 si ces astres se forment dans la partie centrale du disque protoplanétaire. Comme on sait qu’il existe bien plus d’étoiles dont la composition atmosphérique (vestige de celle de leur disque protoplanétaire passé) affiche un rapport C/O compris entre 0,65 et 0,8 que d’astres avec un rapport C/O atmosphérique supérieur, on en déduit que les planètes carbonées sont probablement plus abondantes dans la Voie lactée qu’on le pensait.À quoi ressemblerait le volcanisme, le climat et plus généralement ce que l’on rassemble sous le terme de géodynamique pour une exoterre qui serait une planète carbonée ? Quid de l’apparition et de l’évolution de la vie sur ces planètes ? Autant de questions fascinantes pour les planétologues et les exobiologistes, que l’on ne peut pour le moment explorer qu’avec des modèles numériques.
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