Les progrès des observations astronomiques ont abouti à la découverte d'un nombre extraordinaire de planètes extrasolaires, dont certains auraient une composition rocheuse similaire à celle de la Terre. En savoir plus sur leur structure intérieure pourrait fournir des indices importants sur leur habitabilité potentielle.

Dirigé par Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), une équipe de chercheurs vise à percer certains de ces secrets en comprenant les propriétés de l'oxyde de fer, l'un des constituants du manteau terrestre, aux pressions et températures extrêmes que l'on trouve probablement à l'intérieur de ces grandes planètes extrasolaires rocheuses. Les résultats de leurs expériences ont été publiés aujourd'hui dans Géosciences de la nature .

"En raison de la quantité limitée de données disponibles, la majorité des modèles de structure intérieure pour les exoplanètes rocheuses supposent une version agrandie de la Terre, constitué d'un noyau de fer, entouré d'un manteau dominé par les silicates et les oxydes. Cependant, cette approche néglige largement les différentes propriétés que les matériaux constitutifs peuvent avoir à des pressions supérieures à celles existant à l'intérieur de la Terre, " a déclaré Federica Coppari, Physicien du LLNL et auteur principal de l'étude. "Avec le nombre toujours croissant d'exoplanètes confirmées, y compris ceux que l'on croit de nature rocheuse, il est essentiel de mieux comprendre comment leurs blocs de construction planétaires se comportent profondément à l'intérieur de ces corps."

À l'aide de lasers géants à l'Omega Laser Facility de l'Université de Rochester, les chercheurs ont pressé un échantillon d'oxyde de fer à près de 7 mégabars (ou Mbar—7 millions de fois la pression atmosphérique terrestre), conditions attendues à l'intérieur d'exoplanètes rocheuses environ cinq fois plus massives que la Terre. Ils ont fait exploser des lasers supplémentaires sur une petite feuille de métal pour créer une brève impulsion de rayons X, suffisamment lumineux pour leur permettre de capturer un instantané de diffraction des rayons X de l'échantillon compressé.

"Un timing précis est essentiel car l'état de pression maximale est maintenu pendant pas plus d'un milliardième de seconde, " a déclaré Coppari. Parce que la diffraction des rayons X est particulièrement adaptée pour fournir une mesure de la distance entre les atomes et comment ils sont disposés dans un réseau cristallin, l'équipe a découvert que lorsque l'oxyde de fer est comprimé à des pressions supérieures à 3 Mbar - la pression du noyau interne de la Terre - il se transforme en une phase différente, où les atomes sont plus denses.

"Trouver la structure de l'oxyde de fer à haute pression dans des conditions dépassant celles existant à l'intérieur de la Terre est très intéressant car cette forme devrait avoir une viscosité beaucoup plus faible que la structure cristalline trouvée dans les conditions ambiantes et dans le manteau terrestre, " a déclaré Coppari.

En combinant les nouvelles données avec les mesures précédentes sur l'oxyde de magnésium, un autre constituant clé des planètes rocheuses, l'équipe a construit un modèle pour comprendre comment la transition de phase dans l'oxyde de fer pourrait affecter leur capacité à se mélanger. Ils ont découvert que le manteau des grandes exoplanètes terrestres pourrait être très différent de ce qui est habituellement envisagé, ayant probablement une viscosité très différente, conductivité électrique et propriétés rhéologiques.

« Les conditions plus extrêmes attendues à l'intérieur des grandes super-Terres rocheuses favorisent l'émergence d'une minéralogie nouvelle et complexe où les matériaux constitutifs se mélangent (ou se démêlent), couler et se déformer d'une manière complètement différente de celle du manteau terrestre, " a déclaré Coppari. " Le mélange ne joue pas seulement un rôle dans la formation et l'évolution de la planète, mais affecte également considérablement la rhéologie et la conductivité, qui sont finalement liés à son habitabilité.

Regarder vers l'avant, cette recherche devrait stimuler d'autres études expérimentales et théoriques visant à comprendre les propriétés de mélange des matériaux constitutifs dans des conditions de pression et de température sans précédent.

"Il y a encore tant à apprendre sur les matériaux dans des conditions extrêmes et encore plus sur la formation et l'évolution des planètes, " a-t-elle dit. " C'est ahurissant de penser que nos expériences en laboratoire peuvent scruter la structure intérieure de planètes si lointaines avec une résolution sans précédent et contribuer à une compréhension plus profonde de l'univers. "