Pour mesurer les structures cristallines à l'échelle atomique à haute pression et température, une cellule à enclume de diamant avec un échantillon est alignée avec un faisceau de rayons X (ligne bleue) et des faisceaux laser (zones orange). Les faisceaux laser chauffent l'échantillon à des milliers de kelvins de température. Le petit rectangle rouge/gris pris en sandwich entre des enclumes de diamant est l'échantillon. Crédit :Dan Shim/ASU
Des observations astrophysiques ont montré que les exoplanètes riches en eau de type Neptune sont courantes dans notre galaxie. On pense que ces "mondes aquatiques" sont recouverts d'une épaisse couche d'eau, des centaines à des milliers de kilomètres de profondeur, au-dessus d'un manteau rocheux.
Alors que les exoplanètes riches en eau sont courantes, leur composition est très différente de la Terre, il y a donc beaucoup d'inconnues en termes de structure de ces planètes, composition et cycles géochimiques.
En cherchant à en savoir plus sur ces planètes, une équipe internationale de chercheurs, dirigé par l'Université d'État de l'Arizona, a fourni l'une des premières études de laboratoire de minéralogie pour les exoplanètes riches en eau. Les résultats de leur étude ont été récemment publiés dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences .
"L'étude des réactions et des processus chimiques est une étape essentielle vers le développement d'une compréhension de ces types de planètes communs, " a déclaré le co-auteur Dan Shim, de l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de l'ASU.
La conjecture scientifique générale est que l'eau et la roche forment des couches séparées à l'intérieur des mondes aquatiques. Parce que l'eau est plus légère, sous la couche d'eau des planètes riches en eau, il devrait y avoir une couche rocheuse. Cependant, la pression et la température extrêmes à la frontière entre l'eau et les couches rocheuses pourraient modifier fondamentalement le comportement de ces matériaux.
Pour simuler cette pression et cette température élevées en laboratoire, l'auteur principal et chercheur Carole Nisr a mené des expériences au laboratoire de Shim pour la Terre et les matériaux planétaires à l'ASU en utilisant des cellules à enclume de diamant à haute pression.
Dans une cellule à enclume de diamant, deux diamants monocristallins de qualité gemme sont façonnés en enclumes (dessus plat sur la photo) puis confrontés l'un à l'autre. Les échantillons sont chargés entre les colettes (surfaces planes), puis l'échantillon est comprimé entre les enclumes. Crédit :Dan Shim/ASU
Pour leur expérience, l'équipe a immergé de la silice dans l'eau, comprimé l'échantillon entre les diamants à une très haute pression, puis chauffé l'échantillon avec des faisceaux laser à plus de quelques milliers de degrés Fahrenheit.
L'équipe a également effectué un chauffage au laser au laboratoire national d'Argonne dans l'Illinois. Pour suivre la réaction entre la silice et l'eau, Des mesures aux rayons X ont été prises pendant que le laser chauffait l'échantillon à haute pression.
Ce qu'ils ont trouvé était une nouvelle phase solide inattendue avec du silicium, l'hydrogène et l'oxygène tous ensemble.
"Initialement, on pensait que l'eau et les couches rocheuses des planètes riches en eau étaient bien séparées, " a déclaré Nisr. "Mais nous avons découvert grâce à nos expériences une réaction inconnue auparavant entre l'eau et la silice et la stabilité d'une phase solide à peu près dans une composition intermédiaire. La distinction entre l'eau et la roche semblait être étonnamment « floue » à haute pression et à haute température."
Les chercheurs espèrent que ces découvertes feront progresser nos connaissances sur la structure et la composition des planètes riches en eau et leurs cycles géochimiques.
"Notre étude a des implications importantes et soulève de nouvelles questions pour la composition chimique et la structure de l'intérieur des exoplanètes riches en eau, " Nisr a dit. " Le cycle géochimique des planètes riches en eau pourrait être très différent de celui des planètes rocheuses, comme la Terre."
