À l’intérieur de Saturne doivent aussi naître des pluies d’hélium. © Florent DIE, Adobe Stock
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Les pluies d'hélium à l'intérieur de Jupiter et Saturne reconstituées en laboratoire

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[EN VIDÉO] Jupiter dévoilée par la sonde Juno  Depuis son orbite autour de Jupiter, où elle est arrivée en juillet 2016, la sonde Juno, de la Nasa, analyse la planète géante de notre Système solaire avec plusieurs instruments. Les images que nous avons sélectionnées ici montrent la « surface » (en fait le sommet de la couche nuageuse), des détails de la Grande tache rouge et des traces du gigantesque champ magnétique. Les spectaculaires séquences à basse altitude sont de véritables enregistrements lors de survols rapprochés, mais présentés en accéléré. Les scientifiques se régalent. Nous aussi. 

Après avoir permis de reproduire en laboratoire les conditions de pression et de température des profondeurs de la Terre, des physiciens - dont certains sont membres du CEA - ont réussi à reproduire celles à l'intérieur de Jupiter et Saturne. Les expériences accréditent désormais la formation de pluies d'hélium dans ces géantes où l'hydrogène peut aussi devenir métallique.

La physique des hautes pressions s'est en partie développée pour comprendre la nature de l'intérieur de la Terre et donc finalement sa géodynamique en relation avec la tectonique des plaques. On peut citer à cet égard les travaux du prix Nobel de physique Percy Williams Bridgman (il a eu comme étudiants Robert Oppenheimer et le grand géophysicien Francis Birch). Cette physique de l'extrême fait bien évidemment intervenir des concepts et des données relevant de la géochimie et permet de mieux interpréter les données fournies par la sismologie et l'étude du champ magnétique de la Terre.

Bien évidemment aussi, l'ère spatiale a fourni des mesures concernant d'autres planètes, qu'elles soient rocheuses comme la Lune et Mars, ou largement gazeuses comme Jupiter et Saturne. Les planétologues ont donc rapidement entrepris de transposer la physique des hautes pressions à l'étude de l'intérieur de ces planètes, avec toujours comme objectif d'en comprendre la structure et l'évolution.

Toutefois, les pressions à l'intérieur de Jupiter et Saturne sont encore plus formidables que dans le cas de notre Planète bleue. De sorte que pendant longtemps, seuls des calculs analytiques puis des simulations numériques avec des superordinateurs permettaient d'explorer la physique et la chimie de ces géantes, comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous.

Ces calculs avaient montré que le mélange d'hydrogène et d'hélium hérité de la nébuleuse primitive, où est né le Système solaire et qui constitue la majorité de la matière de ces planètes, devait subir un processus de démixtion suffisamment en profondeur, dans des conditions thermodynamiques de pression et de température données.

Pour recréer les conditions régnant dans les profondeurs des planètes, des échantillons de matière peuvent été placés entre les pointes de deux diamants. Les diamants sont alors pressés l’un contre l’autre afin de produire des pressions très élevées. Un faisceau laser infrarouge peut alors chauffer l’échantillon jusqu’à 1.000 °C et plus. Traduction en français en cliquant sur le rectangle blanc en bas à droite, puis sur l'écrou, ensuite sur « Sous-titres » et « Traduire automatiquement ». © Carnegie Science

Les cellules à enclumes de diamant, la clé de la physique de l'intérieur des planètes

Pour l'exprimer plus directement et de façon moins cryptée, de l'hélium doit pleuvoir à l'intérieur de Jupiter et de Saturne passé une certaine profondeur. Cette prédiction est en fait ancienne, initialement on la doit dans les années 1970 à l'astrophysicien états-unien E. Salpeter. C'est ce que lui suggéraient ses réflexions sur une autre transition de phase supposée se produire à l'intérieur de Jupiter, le passage de l'hydrogène à l'état métallique (Futura avait consacré un article à des résultats spectaculaires récents sur cette question). Le phénomène de pluie d'hélium est intéressant notamment parce que de la chaleur latente de changement de phase doit alors être libérée, ce qui aide à comprendre certaines énigmes quant aux sources d'énergie de ces planètes. En effet, Jupiter rayonne environ 2,5 fois plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil.

Or, voilà qu'une équipe internationale de physiciens, comptant parmi ses membres deux chercheurs de la Direction des applications militaires du CEA, vient de publier un article dans Nature où en collaboration avec des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de l'université de Berkeley (Californie), du Laboratory for Laser Energetic (LLE) dans l'État de New York, il est annoncé un succès concernant l'observation en laboratoire sur Terre de la séparation de phase entre l'hydrogène et l'hélium pour des conditions extrêmes de température (environ 10.000 kelvins) et de pression (quatre gigapascals, donc environ 40.000 fois la pression de l'atmosphère terrestre) existant à l'intérieur de Jupiter.

Pour obtenir ce résultat, ces physiciens des hautes pressions se sont appuyés comme à leur habitude sur des cellules à enclumes de diamant, une technologie initialement développée par Percy Bridgman, mais complétée récemment par une technique de compression laser générant des ondes de choc développées par eux il y a une quinzaine d'années. C'est à nouveau les faisceaux de l'installation laser Omega du LLE à Rochester qui ont été mobilisés, les mêmes ayant permis de démontrer l'existence de la glace superionique.

Une vue d'artiste des expériences sur le cœur de Jupiter avec une enclume de diamants. © Mohamed Zaghoo, Harvard SEAS

Deux transitions de phase

Les résultats obtenus ont été commentés en ces termes par Marius Millot, physicien au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et coauteur de la publication : « Nous avons découvert que les pluies d'hélium sont réelles et peuvent se produire à la fois dans Jupiter et Saturne. Ceci est important pour aider les planétologues à déchiffrer comment ces planètes sont nées et ont évolué, ce qui est essentiel pour comprendre comment le Système solaire s'est formé. Et il ajoute concernant la physique d'un mélange d'hydrogène et d'hélium que : Nos expériences fournissent des preuves expérimentales pour une prévision de longue date : il existe une gamme de pressions et de températures auxquelles ce mélange devient instable et se démixte. Cette transition se produit à des conditions de pression et de température proches de celles nécessaires pour transformer l'hydrogène en un fluide métallique, et l'image intuitive pour ce phénomène est que la métallisation de l'hydrogène déclenche la démixtion. »

Remarquablement, en étudiant le champ de gravitation de Jupiter, ce qui permet de remonter à la distribution de densité à l'intérieur de la géante, la mission Juno a collecté des données en 2016 qui suggèrent l'existence à l'intérieur de la planète d'une zone hétérogène s'étendant sur 15 % du rayon de la planète, qui pourrait signaler une région où se produit la séparation de l'hydrogène et de l'hélium. Or, les mesures des caractéristiques du phénomène de démixtion observé par les chercheurs s'accordent bien avec le modèle de l'intérieur de Jupiter récemment proposé à partir des données de Juno.

Pour en savoir plus

Saturne : des pluies d'hélium pour expliquer la forme particulière de son champ magnétique

Article de Nathalie Mayer publié le 11/05/2021

Les dernières données renvoyées par la mission Cassini ont révélé le drôle de champ magnétique de Saturne. Comme un nouvel indice sur ce qui se passe au cœur de la planète aux anneaux. Là où ce champ magnétique est produit. 

Étudier la structure interne des planètes géantes gazeuses n'est pas simple. Alors pour se faire une idée plus précise de ce qui se joue au cœur de Saturne, des chercheurs de l’université Johns Hopkins (États-Unis) ont choisi de s'appuyer d'une part sur les dernières données renvoyées par la mission Cassini. D'autre part, sur de puissantes simulations informatiques. Du même genre de celles que les climatologues utilisent pour étudier le temps et le climat sur Terre.

La particularité de Saturne, c'est que son champ magnétique semble être presque parfaitement symétrique autour de l'axe de rotation de la planète. Or, ce champ magnétique est généré à l'intérieur de la planète aux anneaux. Par un mécanisme de conversion électromagnétique. Ainsi, ses caractéristiques offrent une opportunité de mieux comprendre de quoi est fait le cœur de Saturne.

Coupe de l’intérieur de Saturne. © Yi Zheng, HEMI/MICA Extreme Arts Program

Explorer les pôles de Saturne

Selon les chercheurs, la forme particulière du champ magnétique de Saturne pourrait s'expliquer par la présence en son cœur d'une épaisse couche de pluie d’hélium. Et par des températures au sommet de cette couche, plus élevées dans la région équatoriale et plus basses aux hautes latitudes. Près des pôles nord et sud, il pourrait par ailleurs exister un petit degré de non-axisymétrie.

Cette information reste à vérifier par des observations directes aux pôles. Mais elle pourrait avoir des implications sur une autre question qui perturbe les astronomes depuis des décennies : celle de la vitesse de rotation de Saturne et donc, de la durée du jour sur la planète aux anneaux. En comprenant mieux comment Saturne s'est formée et a évolué, les chercheurs espèrent aussi mieux comprendre l'histoire de planètes similaires, découvertes ailleurs dans notre Univers.


Des pluies d'hélium au cœur de Jupiter et de Saturne

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.

Article de Laurent Sacco paru le 29/01/2009

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

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. © 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. © 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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