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Des exoplanètes auraient un manteau de diamant

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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.

L'exoplanète 55 Cancri e, peut-être. Une surface de graphite y entoure 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

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 Decobec

Avec 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 exotiques

En 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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