Uranus est visible à gauche et Neptune à droite sur ces photos prises par une sonde Voyager. © Nasa
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Neptune et Uranus auraient bien des manteaux de diamant !

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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 au sein de leurs atmosphères riches en carbone. Des expériences de physique accréditent cette thèse mais il faut encore de puissants algorithmes sur ordinateurs, comme ceux mis au point par le physicien et cristallographe russe Artem Oganov, pour en explorer toutes les implications.

Dans son célèbre cours de physique, le prix Nobel Richard Feynman posait la question suivante : « Si, en raison d'un cataclysme, toutes les connaissances scientifiques devaient être détruites et qu'une seule phrase était transmise aux générations suivantes, quelle déclaration contiendrait le plus d'informations en le moins de mots ? » Et il répondait : « Je crois que c'est l'hypothèse atomique -- ou le fait atomique, ou peu importe comment vous voulez l'appeler --, que toutes choses sont faites d'atomes, de petites particules qui se déplacent en mouvement perpétuel, s'attirant les unes les autres lorsqu'elles sont un peu éloignées, mais se repoussant après avoir été pressées l'une vers l'autre. Dans cette phrase, vous verrez, il y a une énorme quantité d'informations sur le monde si juste un peu d'imagination et de réflexion sont appliquées ».

Mais, pour en tirer toutes les conséquences, de la structure et des propriétés des protéines de la capside du SARS-CoV-2 à celles des planètes en passant par celles des supraconducteurs des Tokamaks, il faut utiliser non seulement les lois de la mécanique quantique mais aussi de savants algorithmes sur ordinateurs que des expériences de cristallographie peuvent nourrir et confirmer.

Une introduction à la cristallographie aux rayons X. La structure atomique de la matière est la clé de sa compréhension, des cellules aux planètes. © The Royal Institution, YouTube

Une longue tradition de prix Nobel en physique de la matière condensée

La Russie possède une longue tradition de recherches dans le domaine de la physique atomique et des propriétés de la matière condensée qui en découle, comme le prouvent plusieurs de ces prix Nobel de physique tels Lev Landau et Piotr Kapitsa, peu connus du grand public. Tout le monde a bien sûr entendu parler de Dmitri Mendeleïev mais probablement pas du chimiste, géologue et cristallographe Vladimir Vernadsky. Et pourtant, on lui doit l'idée et le nom de biosphère et partiellement aussi celle de la noosphère avec Teilhard de Chardin.

Enfin, si les cours de physique théorique de Lev Landau sont connus de tous les physiciens (le regretté prix Nobel de physique Pierre-Gilles de Gennes en parlait souvent), rares sont probablement ceux, parmi eux, qui savent que Landau avait également rédigé des ouvrages et des cours pour le grand public et les débutants en physique, notamment avec le brillant physicien et cristallographe A. I. Kitaigorodsky.

Cette ignorance est en partie due aux dégâts causés par la guerre froide alors que, de l'autre côté du rideau de fer, il existait des stars de la physique et de l'astrophysique aussi célèbres et importantes que Feynman et Hawking. Il est temps de réparer ces dégâts et de rendre à nouveau pleinement visible la continuité d'une communauté scientifique qui s'étend de l'Atlantique à l'Oural.

Qui, par exemple, a entendu parler de l'Institut de Physique et de Technologie de Moscou (MIPT pour Moscow Institute of Physics and Technology, Московский Физико-Технический институт en russe) fondé à l'initiative notamment de Pyotr Kapitsa ?

Et pourtant, c'est un prestigieux institut de recherche et d'enseignement basé sur une pédagogie réalisant une intégration étroite entre les milieux universitaire, scientifique et industriel, et permettant aux étudiants d'entrer en contact rapidement avec l'élite des chercheurs russes, tel que Vitaly Ginzburg.

Baptisé PhysTech (Физтех), comme on parle de l'X en France ou du MIT aux USA, il a produit 10 lauréats du prix Nobel ainsi que des membres clés de l'Académie des Sciences de Russie. Aujourd'hui, il compte parmi ses professeurs l'astrophysicien russe Yuri Kovalev, qui a été très impliqué dans le projet RadioAstron, et Artem Oganov, également professeur au Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech).

Une présentation d'une star de la physique russe et de ses travaux en physique du solide. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en russe devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Skoltech

Futura a déjà consacré plusieurs articles aux découvertes faites par Artem Oganov avec ses collègues et collaborateurs et aurait pu en consacrer d'autres ces deux dernières années tant il y a eu de nombreuses annonces de succès obtenus, notamment dans le domaine de l'hydrogène métallique et des hydrures supraconducteurs.

Les secrets de l'intérieur des planètes géantes

Il s'agit de résultats concernant la physique et la chimie exotique des hautes pressions initialement obtenues grâce à des simulations numériques avec un algorithme nommé Uspex (Universal Structure Predictor : Evolutionary Xtallography). Il est utilisé par plus de 7.000 chercheurs dans le monde car il permet de prédire victorieusement (en russe uspekh signifie « succès ») la structure cristalline que vont adopter les atomes formant un matériau d'une composition chimique initiale donnée dans des conditions de pressions et de températures arbitraires. En bonus, cela permet donc de prédire a priori non seulement l'existence de nouveaux matériaux mais aussi leurs propriétés physico-chimiques, ce qui laisse songeur si l'on pense au Graal de la recherche d'un supraconducteur à température et pression ambiantes ou presque.

Uspex permet de se plonger à l'intérieur des planètes pour explorer des arcanes que l'on ne sait que très difficilement étudier en laboratoire à l'aide principalement de cellules à enclumes de diamant. Il ne s'agit pas de simples curiosités car les propriétés de la matière dans les conditions régnantes au cœur des géantes gazeuses et de glaces du Système solaire, et même de leurs cousines parmi les exoplanètes, conditionnent la structure et les propriétés de ces géantes.

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

Artem Oganov et ses collègues font savoir aujourd'hui via un article déposé sur arXiv qu'ils avaient précisé et consolidé les modélisations concernant ce qui se passe avec des atomes de carbone, hydrogène, oxygène et azote (le fameux C.H.O.N de l'exobiologie) dans certaines des couches présentes dans les géantes de glaces que sont Uranus et Neptune. Elles conduisent aussi à mieux comprendre des énigmes.

Rappelons, comme Futura l'avait expliqué dans de précédents articles, que les modèles actuels de la structure interne des planètes géantes de notre Système solaire sont des héritiers de ceux proposés par l'astrophysicien américain d'origine allemande Rupert Wildt durant les années 1940 et 1950. Les planétologues ont précisé ces modèles grâce à des expériences relevant de la physique des hautes pressions et à des simulations numériques savantes sur ordinateur. Ces modèles se nourrissent aussi de travaux purement théoriques et, bien évidemment, des observations de sondes comme Cassini et Juno.

En 1981, le physicien Marvin Ross a été l'un des premiers à proposer qu'à l'intérieur des planètes géantes que sont Neptune et Uranus de véritables cœurs en diamant devaient pouvoir se former sous l'action des pressions énormes agissant sur les composés carbonés détectés dans leurs atmosphères.

L'idée avait été reprise et poussée plus loin dans les romans d'Arthur Clarke faisant suite à 2001 : L'Odyssée de l'espace. Après le contact de David Bowman avec le monolithe noir laissé il y a des millions d'années par une race d'extraterrestres au voisinage de Jupiter, l'esprit de l'astronaute avait été téléchargé dans un réseau quantique de flux de lumière intégré à la structure en écume d’un espace-temps à plus de 4 dimensions sous forme de trous de ver. Ainsi dématérialisé, le nouveau Bowman se promenait à sa guise dans l'espace et découvrait en effet qu'un cœur en diamant occupait l'intérieur de la planète géante.

Un extrait d'un documentaire évoquant l'hypothèse de la synthèse de diamants dans les atmosphères des planètes géantes, en l'occurrence, Saturne. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © BBC Earth

La thèse de Marvin Ross a été explorée en laboratoire avec des expériences de hautes pressions mais elle reste à confirmer pleinement et toutes les conséquences qu'elle implique doivent également être étudiées.

Comme le montre le schéma précédent exposant ce que l'on pense être la structure interne de Neptune, mais aussi d'Uranus, ces géantes de glaces posséderaient trois enveloppes principales, une atmosphère d'hydrogène et d'hélium qui, avec un cœur rocheux, prendrait en sandwich un manteau de glaces formé à partir d'un mélange d'eau H2O, de méthane CH4 et d'ammoniac NH3.

Des composés carbonés azotés, des diamants et des liquides ioniques

Mais, sous l'action de pressions et températures qui varient de 20 à 600 GPa et de 2.000 à 7.000 K avec la profondeur, ces molécules se transforment pour donner un composé exotique dont on peut découvrir le contenu avec Uspex, notamment en ce qui concerne des phases thermodynamiquement stables dans le système quaternaire C.H.O.N et ses sous-systèmes ternaire et binaire à hautes pressions.

De fait, les simulations avec Uspex ont permis une étude approfondie du diagramme de phase du système C.H.O.N à des pressions de 50, 200 et 400 GPa et à des températures allant jusqu'à 3.000K. Huit nouvelles phases thermodynamiquement stables ont été découvertes. On peut citer, comme le fait l'abstract de l'article des chercheurs du Skolkovo Institute of Science and Technology et du Lebedev Physical Institute, un polymère cristallisé de formule C2H2N2O2 et plusieurs nouveaux composés NO et HNO.

Surtout, c'est une nouvelle confirmation que du diamant doit bien se former dans les manteaux glacés de Neptune et Uranus. Toutefois, les résultats d'Uspex doivent être pris avec un peu de recul car les planétologues suspectent maintenant que les structures internes de Neptune et Uranus sont différentes de ce que l'on pensait, dans le sens où les compositions et les profils pression-température des deux géantes ne sont pas identiques.

Ce qui est sûr, c'est que la formation de diamants et leur chute dans les profondeurs de la planète libèrent de la chaleur et que cette chaleur aide à son tour à la formation de diamants, de sorte que ce processus a dû se produire rapidement et tôt dans l'histoire de Neptune et d'Uranus, et que l'on doit en conclure que la chaleur qu'elles contiennent aujourd'hui est un fossile des temps anciens, peu après la formation du Système solaire. Cette chaleur libérée aide à expliquer pourquoi Neptune et Uranus rayonnent respectivement 2,61 et 1,06 fois plus d'énergie qu'elles n'en reçoivent du Soleil.

Mais des incertitudes règnent à ce sujet encore puisque les profils exacts des températures et des pressions dans ces géantes ne sont pas encore suffisamment bien déterminés. Les raisons pour lesquelles Neptune et Uranus ne rayonnent pas autant de chaleur alors que ces planètes sont très similaires ne sont donc pas encore clairement comprises, même si l'on peut penser qu'avec une masse plus élevée et une densité de 29 % supérieure, la synthèse de diamants dans Neptune et la libération d'énergie potentielle (sous forme de chaleur au fur et à mesure que ces diamants chutaient vers le cœur rocheux en raison de leur plus grande densité), étaient aussi plus importantes il y a des milliards d'années.

Les résultats d'Uspex vont certainement aider à comprendre d'autres mystères comme celui des champs magnétiques exotiques de deux géantes. L'axe du champ magnétique de Neptune, 27 fois plus puissant que celui de la Terre, forme un angle avec son axe de rotation qui change de manière chaotique lorsque ce champ interagit avec le vent solaire et l'axe de rotation d'Uranus est incliné de 60 ° par rapport à son axe magnétique. On peut s'attendre, par exemple à la formation d'ions OH- et NH4+, dans le manteau de ces planètes et, plus généralement, d'un liquide moléculaire ionique conducteur pouvant entrer en convection. Si tel est bien le cas, l'équivalent de la dynamo auto-entrenue de la Terre pourrait donc y prendre naissance.

Pour en savoir plus

 

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

Des exoplanètes auraient bien un manteau de diamants

Article de Laurent Sacco publié le 20/09/2020

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

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 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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