Que se passe-t-il dans les profondeurs des mondes lointains ?

La physique et la chimie qui se déroulent au plus profond de notre planète sont fondamentales pour l’existence de la vie telle que nous la connaissons. Mais quelles forces agissent à l’intérieur des mondes lointains, et comment ces conditions affectent-elles leur habitabilité ?

De nouveaux travaux menés par le Carnegie Earth and Planetary Laboratory utilisent des méthodes de simulation de laboratoire pour révéler une nouvelle structure cristalline qui a des implications majeures pour notre compréhension de l’intérieur des grandes exoplanètes rocheuses. Leurs conclusions ont déjà été publiées Actes de l’Académie nationale des sciences.

Rajkrishna Dutta, auteur principal de l’Université Carnegie, a expliqué : « La dynamique interne de notre planète est essentielle au maintien d’un environnement de surface dans lequel la vie peut prospérer – entraînant la géodynamo qui crée notre champ magnétique et façonne la composition de notre atmosphère. » « Les conditions trouvées dans les profondeurs de grandes exoplanètes rocheuses telles que les planètes superterrestres seraient encore plus extrêmes. »

Les minéraux silicatés constituent la plupart des couches de la Terre et sont considérés comme un composant majeur de l’intérieur d’autres planètes rocheuses également, sur la base des calculs de leur densité. Sur Terre, des changements structurels se produisent dans les silicates ci-dessous haute pression Les conditions de température définissent les principales limites profondes à l’intérieur de la Terre, telles que celles entre le manteau supérieur et inférieur.

L’équipe de recherche, qui comprenait Sally John Tracy de Carnegie, Ron Cohen, Francesca Mussi, Kai Lu et Jing Yang, ainsi que Pamela Burnley de l’Université du Nevada à Las Vegas, Dean Smith et Yu Ming du Laboratoire national d’Argonne, Stella Caan Vitaly Brakabenka de l’Université de Chicago et Thomas Duffy de l’Université de Princeton s’intéressent à l’émergence et au comportement de nouvelles formes de silicates dans des conditions qui imitent celles des mondes lointains.

« Pendant des décennies, les chercheurs de Carnegie ont été les premiers à recréer les conditions internes des planètes en plaçant de petits échantillons de matériaux sous d’énormes pressions et à des températures élevées », a déclaré Duffy.

Mais il y a des limites à la capacité des scientifiques à recréer les conditions internes des exoplanètes en laboratoire. La modélisation théorique a indiqué l’émergence de nouvelles phases de silicate sous les pressions attendues dans les manteaux d’exoplanètes rocheuses qui sont au moins quatre fois la masse de la Terre. Mais ce changement n’a pas encore été remarqué.

Cependant, le germanium est une bonne alternative au silicium. Les deux éléments forment des structures cristallines similaires, mais le germanium induit une transition entre les phases chimiques à des températures et des pressions plus basses, qui peuvent être mieux contrôlées dans des expériences de laboratoire.

Travailler avec du granit de magnésium, Mg₂géo₄semblable à l’un des manteaux les plus abondants minéraux silicatésDans cet article, l’équipe a pu recueillir des informations sur les éventuels minéraux des super-Terres et des grandes exoplanètes rocheuses.

Sous environ deux millions de fois la pression atmosphérique normale, une nouvelle phase avec une structure cristalline distincte comprenant du germanium lié à huit oxygènes est apparue.

« La chose la plus intéressante pour moi est que le magnésium et le germanium, qui sont deux éléments très différents, se remplacent dans la structure », a déclaré Cohen.

Dans les conditions ambiantes, la plupart des silicates et des germaniums sont organisés en ce qu’on appelle une structure tétraédrique, un silicium ou germanium central lié à quatre autres atomes. Cependant, dans des conditions extrêmes, cela peut changer.

Tracy a expliqué que « la découverte que sous des pressions extrêmes, les silicates pouvaient prendre une structure orientée vers six liaisons, plutôt que quatre, a complètement changé la donne en termes de compréhension des scientifiques de la dynamique de la Terre profonde ». « La découverte d’une tendance octuple pourrait avoir des implications tout aussi révolutionnaires sur la façon dont nous pensons à la dynamique de l’exoplanète intérieure. »