La quantité d'éléments radioactifs à vie longue incorporée dans une planète rocheuse telle qu'elle se forme peut être un facteur crucial pour déterminer son habitabilité future, selon une nouvelle étude réalisée par une équipe interdisciplinaire de scientifiques de l'UC Santa Cruz.

C'est parce que le chauffage interne de la désintégration radioactive des éléments lourds thorium et uranium entraîne la tectonique des plaques et peut être nécessaire pour que la planète génère un champ magnétique. Le champ magnétique terrestre protège la planète des vents solaires et des rayons cosmiques.

La convection dans le noyau métallique en fusion de la Terre crée une dynamo interne (la "géodynamo") qui génère le champ magnétique de la planète. L'approvisionnement de la Terre en éléments radioactifs fournit plus qu'assez de chauffage interne pour générer une géodynamo persistante, selon Francis Nimmo, professeur de sciences de la Terre et des planètes à l'UC Santa Cruz et premier auteur d'un article sur les nouvelles découvertes, publié le 10 novembre dans Lettres de revues astrophysiques .

"Ce que nous avons réalisé, c'est que différentes planètes accumulent différentes quantités de ces éléments radioactifs qui alimentent finalement l'activité géologique et le champ magnétique, " Nimmo a expliqué. " Nous avons donc pris un modèle de la Terre et avons composé la quantité de production de chaleur radiogénique interne de haut en bas pour voir ce qui se passe. "

Ce qu'ils ont découvert, c'est que si le chauffage radiogénique est supérieur à celui de la Terre, la planète ne peut pas supporter en permanence une dynamo, comme la Terre l'a fait. Cela se produit parce que la plupart du thorium et de l'uranium se retrouvent dans le manteau, et trop de chaleur dans le manteau agit comme un isolant, empêchant le noyau fondu de perdre de la chaleur assez rapidement pour générer les mouvements convectifs qui produisent le champ magnétique.

Avec un chauffage interne plus radiogénique, la planète a aussi beaucoup plus d'activité volcanique, ce qui pourrait produire des événements d'extinction de masse fréquents. D'autre part, trop peu de chaleur radioactive entraîne l'absence de volcanisme et une planète géologiquement "morte".

"Juste en changeant cette variable, vous parcourez ces différents scénarios, de géologiquement mort à semblable à la Terre à extrêmement volcanique sans dynamo, " Nimmo dit, ajoutant que ces résultats justifient des études plus détaillées.

"Maintenant que nous voyons les implications importantes de la variation de la quantité de chauffage radiogénique, le modèle simplifié que nous avons utilisé doit être vérifié par des calculs plus détaillés, " il a dit.

Habitabilité

Une dynamo planétaire a été liée à l'habitabilité de plusieurs manières, selon Nathalie Batalha, un professeur d'astronomie et d'astrophysique dont l'initiative d'astrobiologie à l'UC Santa Cruz a déclenché la collaboration interdisciplinaire qui a conduit à cet article.

"Il a longtemps été supposé que le chauffage interne entraîne la tectonique des plaques, qui crée un cycle du carbone et une activité géologique comme le volcanisme, qui produit une atmosphère, " expliqua Batalha. " Et la capacité à retenir une atmosphère est liée au champ magnétique, qui est également entraîné par le chauffage interne."

Co-auteur Joël Primack, professeur émérite de physique, expliqué que les vents stellaires, qui sont des flux rapides de matière éjectés des étoiles, peut éroder régulièrement l'atmosphère d'une planète si elle n'a pas de champ magnétique.

"L'absence de champ magnétique fait apparemment partie de la raison, avec sa gravité plus faible, pourquoi Mars a une atmosphère très mince, " il a dit. " Il y avait une atmosphère plus épaisse, et pendant un certain temps, il y avait de l'eau de surface. Sans la protection d'un champ magnétique, beaucoup plus de rayonnement passe et la surface de la planète devient également moins habitable."

Primack a noté que les éléments lourds essentiels au chauffage radiogénique sont créés lors des fusions d'étoiles à neutrons, qui sont des événements extrêmement rares. La création de ces éléments dits du processus r lors des fusions d'étoiles à neutrons a été au centre des recherches du coauteur Enrico Ramirez-Ruiz, professeur d'astronomie et d'astrophysique.

"Nous nous attendrions à une variabilité considérable dans les quantités de ces éléments incorporés dans les étoiles et les planètes, car cela dépend de la proximité de la matière qui les a formés à l'endroit où ces rares événements se sont produits dans la galaxie, " dit Primack.

Les astronomes peuvent utiliser la spectroscopie pour mesurer l'abondance de différents éléments dans les étoiles, et les compositions des planètes devraient être similaires à celles des étoiles sur lesquelles elles orbitent. L'europium, élément des terres rares, ce qui est facilement observé dans les spectres stellaires, est créé par le même processus qui rend les deux éléments radioactifs à vie la plus longue, thorium et uranium, l'europium peut donc être utilisé comme traceur pour étudier la variabilité de ces éléments dans les étoiles et les planètes de notre galaxie.

Gamme naturelle

Les astronomes ont obtenu des mesures d'europium pour de nombreuses étoiles de notre voisinage galactique. Nimmo a pu utiliser ces mesures pour établir une gamme naturelle d'entrées dans ses modèles de chauffage radiogénique. La composition du soleil se situe au milieu de cette fourchette. Selon Primack, de nombreuses étoiles ont deux fois moins d'europium par rapport au magnésium que le soleil, et de nombreuses étoiles ont jusqu'à deux fois plus que le soleil.

L'importance et la variabilité du chauffage radiogénique ouvrent de nombreuses nouvelles questions pour les astrobiologistes, dit Batalha.

"C'est une histoire complexe, parce que les deux extrêmes ont des implications pour l'habitabilité. Vous avez besoin d'un chauffage radiogénique suffisant pour maintenir la tectonique des plaques, mais pas au point d'arrêter la dynamo magnétique, " dit-elle. " En fin de compte, nous recherchons les demeures les plus probables de la vie. L'abondance d'uranium et de thorium semble être des facteurs clés, peut-être même une autre dimension pour définir une planète Boucle d'or."

En utilisant des mesures à l'europium de leurs étoiles pour identifier des systèmes planétaires contenant différentes quantités d'éléments radiogéniques, les astronomes peuvent commencer à rechercher les différences entre les planètes de ces systèmes, Nimmo a dit, surtout une fois le télescope spatial James Webb déployé. "Le télescope spatial James Webb sera un outil puissant pour la caractérisation des atmosphères des exoplanètes, " il a dit.

En plus de Nimmo, Primack, et Ramirez-Ruiz, les coauteurs de l'article incluent Sandra Faber, professeur émérite d'astronomie et d'astrophysique, et le chercheur postdoctoral Mohammadtaher Safarzadeh.