Une image réelle de Jupiter créée à partir de 4 photos prises par la sonde Cassini. Crédit : NASA/JPL/University of Arizona

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Pluies d'hélium au cœur de Jupiter et de Saturne

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C'est une vieille idée qui prend un peu plus de poids grâce aux simulations de dynamique moléculaire effectuées par une équipe internationale. Les conditions de température et de pression régnant à l'intérieur des géantes, surtout Saturne, provoqueraient une séparation du mélange liquide d'hydrogène et d'hélium. Des gouttes d'hélium pleuvraient donc sur leurs noyaux solides.

Un vieux problème de la planétologie est celui du bilan thermique de Jupiter et de Saturne. Ces géantes rayonnent en effet davantage d'énergie qu'elles n'en reçoivent du Soleil et doivent donc posséder de sources d'énergie internes largement responsables de leur météorologie turbulente. Mais lesquelles ?

Pour Jupiter, les choses semblent claires. La planète n'aurait pas terminé sa contraction gravitationnelle et le fameux mécanisme de Kelvin-Helmholtz qui fait briller les protoétoiles, comme les T-Tauri (voir à ce sujet Le secret de la formation des étoiles massives a été découvert !), suffirait à expliquer d'où Jupiter tire son énergie.

Pour Saturne, ce mécanisme semble insuffisant et un autre a été proposé. On pensait en effet depuis des années que les conditions thermodynamiques régnant dans les profondeurs de Saturne sont telles que non seulement l'hydrogène et l'hélium y sont liquides mais aussi que ce mélange finit pas se séparer. Des gouttes d'hélium se formeraient et, plus lourdes elles chuteraient en averses permanentes sur le noyau solide de Jupiter. Le processus libèrerait de la chaleur et ce serait là l'explication du rayonnement de Saturne.

Cliquer pour agrandir. Représentation d'artiste des gouttes d'hélium pleuvant peut-être dans les géantes. Crédit : Jonathan DuBois

Une météo à revoir...

De multiples études théoriques ou expérimentales cherchent à élucider les mécanismes à l'œuvre à l'intérieur des géantes et l'on y soupçonne même la présence d'un alliage de métal liquide composé d'hydrogène et d'hélium.

Miguel Morales est membre du groupe de recherche de David Ceperley à l'université de l'Illinois. En compagnie de Carlo Pierleoni de l'université de L'Aquila (Italie), ainsi qu'Eric Schwegler, Sebastien Hamel et Kyle Caspersen, des chercheurs du célèbre Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), il a conduit des simulations de dynamique moléculaire pour préciser l'équation d'état d'un mélange d'hélium et d'hydrogène dans les conditions de températures (4.000 à 10.000 K) et de pressions régnant à l'intérieur des géantes gazeuses.

Cliquer pour agrandir. Une autr représentation d'atiste des résultats des simulations des chercheurs. En jaune l'hélium et en blanc l'hydrogène. Crédit : Kwei-Yu Chu

Comme on s'y attendait, il arrive un moment où l'hélium devient insoluble dans l'hydrogène métallique liquide. Des gouttes d'hélium apparaissent et une émulsion se forme. Cependant, comparativement aux estimations précédentes, les puissantes simulations des superordinateurs du LLNL indiquent que la température de séparation est plus élevée.

Le mélange reste stable sur une plus grande portion de l'intérieur des géantes qu'on ne le pensait et, paradoxalement, le mélange est plus stable sur Saturne que sur Jupiter. Les pluies d'hélium existeraient bien, mais elles occuperaient comparativement des régions plus grandes de l'intérieur de Jupiter qu'au sein de Saturne.

Les chercheurs pensent donc que ces résultats devraient conduire à reconsidérer les modèles de l'intérieur des géantes. On doit donc s'attendre à une modification de notre compréhension de leur météorologie et peut-être aussi de la façon dont un champ magnétique y est généré.

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