Certaines planètes pourraient produire leur propre eau au lieu de dépendre de sources extérieures.
Lors d’expériences en laboratoire, les chercheurs ont simulé les conditions extrêmes rencontrées dans certaines exoplanètes en faisant exploser de l’olivine – un minéral abondant à l’intérieur des planètes – avec des lasers à haute énergie en présence d’hydrogène gazeux. L'hydrogène dépouille les minéraux de leurs atomes d'oxygène, qui réagissent ensuite avec l'hydrogène pour former de l'eau, rapporte l'équipe du 29 octobre dans Nature.
Selon le chercheur, cette découverte offre une explication viable aux exoplanètes riches en eau en orbite proche de leurs étoiles hôtes. Le processus pourrait même expliquer l’origine d’une partie de l’eau de la Terre, ajoutant ainsi une nouvelle pièce à un mystère de longue date.
Des centaines d’exoplanètes dont la taille et la masse se situent entre la Terre et Neptune ont été découvertes, dont beaucoup gravitent bien plus près de leurs étoiles que la Terre ne tourne autour du soleil. Leurs densités estimées suggèrent qu'ils possèdent des intérieurs rocheux recouverts d'une épaisse couche d'eau ou d'hydrogène.
Cependant, on ne sait pas vraiment comment ces planètes pourraient être si riches en eau. Dans le système solaire, il existe une nette division entre les planètes formées de chaque côté de la « ligne des neiges ». À l’intérieur de cette ligne, l’eau est rare, vaporisée par le soleil. Vénus en est un exemple. Les planètes formées en dehors de la limite des neiges, comme Saturne et Neptune, sont riches en eau et en gaz.
Les astrophysiciens pensaient que les exoplanètes aqueuses devaient se former loin de leur étoile puis se déplacer vers l'intérieur. La nouvelle étude suggère que, dans de bonnes conditions, les réactions chimiques entre l’hydrogène et les minéraux peuvent produire de l’eau localement.
Recréer ces conditions en laboratoire a été un défi. Pour atteindre la température et la pression requises, les chercheurs placent les échantillons dans un petit récipient appelé cellule à enclume en diamant. Mais les molécules d'hydrogène chauffées peuvent pénétrer dans le réseau d'atomes de carbone du diamant et le briser.
En utilisant des lasers pulsés au lieu d’un faisceau continu – chauffant l’échantillon pendant une fraction de seconde à la fois – les chercheurs ont réduit l’infiltration d’hydrogène. «J'ai quand même cassé beaucoup de diamants», explique Harrison Horn, planétologue aujourd'hui au Lawrence Livermore National Laboratory en Californie.
Lorsque l’expérience a finalement fonctionné, les scientifiques ont été choqués par la quantité d’eau produite. « Il ne restait plus de roche. Tout ce que j'avais, c'était du métal et de l'eau », explique Horn. Le géophysicien Dan Shim de l’Université d’État de l’Arizona à Tempe ajoute : « Nous parlons de beaucoup d’eau, comme des milliers de fois plus d’eau que ce qui est prévu pour la Terre si vous avez une épaisse couche d’atmosphère d’hydrogène. » Dans les expériences, environ 18 pour cent de la masse initiale a été transformée en eau.
Les chercheurs pensent que ce processus de génération d'eau peut se produire à la frontière entre l'intérieur rocheux de la planète et son enveloppe d'hydrogène gazeux, où des pressions et des températures élevées peuvent provoquer la réaction. La teneur finale en eau de ces planètes pourrait varier d'environ 5 à 28 pour cent de la masse de la planète, estiment-ils.
Les mondes qui en résulteraient seraient soit des mondes océaniques massifs, deux à cinq fois plus grands que la Terre et recouverts par un océan liquide profond, soit des mondes « hycéens », abritant un océan surmonté d’une épaisse couche d’hydrogène.
Les résultats suggèrent que ces mondes sont les points finaux d’un continuum plutôt que des types distincts. «Ils sont apparentés, comme des cousins, ou comme des parents, des fils et des filles, en gros», explique Shim. Selon les chercheurs, le fait qu'une planète finisse par devenir un monde océanique ou hycéen dépend probablement de facteurs tels que la proximité de la planète avec son étoile, sa taille et sa composition initiale.
L'étude contribue au débat sur l'habitabilité des mondes hycéens. Alors que des études récentes suggèrent que la majeure partie de leur eau pourrait être emprisonnée dans le manteau, laissant la surface sèche, la nouvelle étude « fait remonter l'abondance de l'eau », explique Remo Burn, astrophysicien à l'Observatoire de la Côte d'Azur à Nice, en France, qui n'a pas participé aux nouveaux travaux. « C'est peut-être une bonne nouvelle pour la vie sur ces planètes. »
Ces résultats ont également des implications pour la Terre. Bien que les conditions de haute pression et de température nécessaires à cette réaction n’existent pas sur la Terre aujourd’hui, elles pourraient l’être lors de sa formation. Une Terre primitive dotée d’une atmosphère épaisse et riche en hydrogène aurait pu provoquer des réactions similaires de formation d’eau.
Cette hypothèse est étayée par des preuves provenant de minuscules vésicules d’eau piégées dans d’anciens diamants des profondeurs, qui, selon Horn, ont une signature chimique distincte par rapport à l’eau de surface. Cela suggère qu'il pourrait y avoir deux réservoirs différents pour l'eau sur Terre : un réservoir primitif acquis par les premières réactions chimiques et un composant ultérieur partiellement fourni par des comètes et des astéroïdes riches en eau du système solaire externe.
