Les minéraux silicatés constituent la majeure partie du manteau terrestre et sont également considérés comme un composant majeur de l'intérieur d'autres planètes rocheuses, sur la base des calculs de leurs densités. Sur Terre, les changements structurels induits dans les silicates dans des conditions de pression et de température élevées définissent des limites clés dans l'intérieur profond de la Terre, comme celle entre le manteau supérieur et inférieur. L'équipe de recherche s'est intéressée à sonder l'émergence et le comportement de nouvelles formes de silicate dans des conditions imitant celles trouvées dans des mondes lointains. Crédit :Kalliopi Monoyios.
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 sont à l'œuvre à l'intérieur des mondes lointains, et comment ces conditions affectent-elles leur potentiel d'habitabilité ?
De nouveaux travaux menés par le Earth and Planets Laboratory de Carnegie utilisent le mimétisme en laboratoire pour révéler une nouvelle structure cristalline qui a des implications majeures pour notre compréhension de l'intérieur des grandes exoplanètes rocheuses. Leurs conclusions sont publiées par Proceedings of the National Academy of Sciences .
"La dynamique intérieure de notre planète est cruciale pour maintenir un environnement de surface où la vie peut prospérer, entraînant la géodynamo qui crée notre champ magnétique et façonne la composition de notre atmosphère", a expliqué Rajkrishna Dutta, de Carnegie, l'auteur principal. "Les conditions rencontrées dans les profondeurs de grandes exoplanètes rocheuses telles que les super-Terres seraient encore plus extrêmes."
Les minéraux silicatés constituent la majeure partie du manteau terrestre et sont également considérés comme un composant majeur de l'intérieur d'autres planètes rocheuses, sur la base des calculs de leurs densités. Sur Terre, les changements structurels induits dans les silicates dans des conditions de pression et de température élevées définissent des limites clés dans l'intérieur profond de la Terre, comme celle entre le manteau supérieur et inférieur.
L'équipe de recherche, qui comprenait Sally June Tracy de Carnegie, Ron Cohen, Francesca Miozzi, Kai Luo et Jing Yang, ainsi que Pamela Burnley de l'Université du Nevada à Las Vegas, Dean Smith et Yue Meng du Laboratoire national d'Argonne, Stella Chariton et Vitali Prakapenka de l'Université de Chicago et Thomas Duffy de l'Université de Princeton se sont intéressés à sonder l'émergence et le comportement de nouvelles formes de silicate dans des conditions imitant celles trouvées dans des mondes lointains.
"Pendant des décennies, les chercheurs de Carnegie ont été les leaders pour recréer les conditions de l'intérieur des planètes en soumettant de petits échantillons de matériaux à des pressions immenses et à des températures élevées", a déclaré Duffy.
Mais il y a des limites à la capacité des scientifiques à recréer les conditions des intérieurs exoplanétaires en laboratoire. La modélisation théorique a indiqué que de nouvelles phases de silicate émergent sous les pressions attendues dans les manteaux d'exoplanètes rocheuses qui sont au moins quatre fois plus massives que la Terre. Mais cette transition n'a pas encore été observée.
Cependant, le germanium est un bon remplaçant du silicium. Les deux éléments forment des structures cristallines similaires, mais le germanium induit des transitions entre les phases chimiques à des températures et des pressions plus basses, qui sont plus gérables à créer dans des expériences de laboratoire.
En travaillant avec du germanate de magnésium, Mg2GeO4, analogue à l'un des minéraux silicatés les plus abondants du manteau, l'équipe a pu glaner des informations sur la minéralogie potentielle des super-Terres et d'autres grandes exoplanètes rocheuses. Sous environ 2 millions de fois la pression atmosphérique normale, une nouvelle phase a émergé avec une structure cristalline distincte qui implique un germanium lié à huit oxygènes. Le nouveau minéral intrinsèquement discordant à huit coordonnées devrait affecter fortement la température interne et la dynamique de ces planètes. Crédit :Rajkrishna Dutta.
Travailler avec du germanate de magnésium, Mg2 GeO4 , analogue à l'un des minéraux silicatés les plus abondants du manteau, l'équipe a pu glaner des informations sur la minéralogie potentielle des super-Terres et d'autres grandes exoplanètes rocheuses.
Sous environ 2 millions de fois la pression atmosphérique normale, une nouvelle phase a émergé avec une structure cristalline distincte qui implique un germanium lié à huit oxygènes.
"La chose la plus intéressante pour moi est que le magnésium et le germanium, deux éléments très différents, se substituent l'un à l'autre dans la structure", a déclaré Cohen.
Dans des conditions ambiantes, la plupart des silicates et des germanates 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.
"La découverte que sous des pressions extrêmes, les silicates pouvaient prendre une structure orientée autour de six liaisons, au lieu de quatre, a complètement changé la donne en termes de compréhension des scientifiques de la dynamique de la Terre profonde", a expliqué Tracy. "La découverte d'une orientation octuple pourrait avoir des implications tout aussi révolutionnaires sur la façon dont nous pensons à la dynamique des intérieurs d'exoplanètes."
