Une enclume en diamant (en haut à droite) et un laser ont été utilisés en laboratoire sur un échantillon d'olivine pour atteindre les conditions de pression-température attendues au sommet de la couche d'eau sous l'atmosphère d'hydrogène d'Uranus (à gauche). Dans cette expérience, le magnésium dans l'olivine dissous dans l'eau. Crédit :Shim/ASU
Alors que les scientifiques ont accumulé une connaissance considérable des planètes rocheuses de notre système solaire, comme la Terre et Mars, on en sait beaucoup moins sur les planètes riches en eau glacée, Neptune et Uranus.
Dans une nouvelle étude publiée récemment dans Astronomie de la nature , une équipe de scientifiques a recréé la température et la pression des intérieurs de Neptune et d'Uranus en laboratoire, et, ce faisant, ont acquis une meilleure compréhension de la chimie des couches d'eau profonde de ces planètes. Leurs découvertes fournissent également des indices sur la composition des océans sur les exoplanètes riches en eau en dehors de notre système solaire.
On pense conventionnellement que Neptune et Uranus ont des couches distinctes distinctes, constitué d'une atmosphère, glace ou liquide, un manteau rocheux et un noyau métallique. Pour cette étude, l'équipe de recherche s'est particulièrement intéressée aux réactions possibles entre l'eau et la roche dans les intérieurs profonds.
« Grâce à cette étude, nous cherchions à étendre notre connaissance de l'intérieur profond des géantes de glace et à déterminer quelles interactions eau-roche pourraient exister dans des conditions extrêmes, " dit l'auteur principal Taehyun Kim, de l'Université Yonsei en Corée du Sud. "Les géantes de glace et certaines exoplanètes ont des couches d'eau très profondes, contrairement aux planètes terrestres. Nous avons proposé la possibilité d'un mélange à l'échelle atomique de deux des matériaux de construction de la planète (l'eau et la roche) à l'intérieur des géantes de glace."
Pour imiter les conditions des couches d'eau profonde sur Neptune et Uranus en laboratoire, l'équipe a d'abord immergé des minéraux rocheux typiques, olivine et ferropériclase, dans l'eau et compressé l'échantillon dans une enclume en diamant à des pressions très élevées. Puis, surveiller la réaction entre les minéraux et l'eau, ils ont pris des mesures aux rayons X pendant qu'un laser chauffait l'échantillon à haute température.
La réaction chimique résultante a conduit à des concentrations élevées de magnésium dans l'eau. Sur la base de ces constatations, l'équipe a conclu que les océans des planètes riches en eau pourraient ne pas avoir les mêmes propriétés chimiques que l'océan terrestre et que la haute pression rendrait ces océans riches en magnésium.
"Nous avons constaté que le magnésium devient beaucoup plus soluble dans l'eau à haute pression. En fait, le magnésium peut devenir aussi soluble dans les couches d'eau d'Uranus et de Neptune que le sel l'est dans l'océan terrestre, ", explique le co-auteur de l'étude, Sang-Heon Dan Shim, de la School of Earth and Space Exploration de l'Arizona State University.
Une image de microscopie électronique de l'échantillon d'olivine montre une grande structure de dôme vide où le magnésium sous l'eau à haute pression a précipité sous forme d'oxyde de magnésium. Crédit :Kim et al.
Ces caractéristiques peuvent également aider à résoudre le mystère de la raison pour laquelle l'atmosphère d'Uranus est beaucoup plus froide que celle de Neptune, même si ce sont toutes deux des planètes riches en eau. S'il y a beaucoup plus de magnésium dans la couche d'eau d'Uranus sous l'atmosphère, il pourrait empêcher la chaleur de s'échapper de l'intérieur vers l'atmosphère.
"Cette eau riche en magnésium peut agir comme une couverture thermique pour l'intérieur de la planète, " dit Shim.
Au-delà de notre système solaire, ces expériences à haute pression et haute température peuvent également aider les scientifiques à mieux comprendre les exoplanètes sub-Neptune, qui sont des planètes en dehors de notre système solaire avec un plus petit rayon ou une plus petite masse que Neptune.
Les planètes sous-neptunes sont le type d'exoplanètes le plus courant que nous connaissions à ce jour, et les scientifiques qui étudient ces planètes émettent l'hypothèse que beaucoup d'entre elles peuvent avoir une épaisse couche riche en eau avec un intérieur rocheux. Cette nouvelle étude suggère que les océans profonds de ces exoplanètes seraient très différents de l'océan terrestre et pourraient être riches en magnésium.
« Si un processus dynamique précoce a permis une réaction roche-eau dans ces exoplanètes, la couche d'eau la plus élevée peut être riche en magnésium, affectant éventuellement l'histoire thermique de la planète, " dit Shim.
Pour les prochaines étapes, l'équipe espère poursuivre ses expériences à haute pression/haute température dans diverses conditions pour en savoir plus sur la composition des planètes.
"Cette expérience nous a fourni un plan pour une exploration plus approfondie des phénomènes inconnus chez les géantes de glace, " dit Kim.
