Le type de planète le plus abondant de notre galaxie pourrait être riche en eau liquide en raison des interactions formatrices entre les océans magmatiques et les atmosphères primitives au cours de leurs premières années, selon une nouvelle recherche publiée dans Nature par Francesca Miozzi et Anat Shahar de Carnegie.
Parmi les plus de 6 000 exoplanètes connues dans la Voie lactée, les sous-Neptunes sont les plus courantes. Ils sont plus petits que Neptune et plus massifs que la Terre et auraient des intérieurs rocheux avec des atmosphères épaisses dominées par l'hydrogène.
Cela en fait de bons candidats pour tester des idées sur la façon dont les planètes rocheuses, comme la nôtre, ont acquis une abondance d’eau, ce qui a été essentiel à l’essor de la vie sur Terre et est considéré comme un élément fondamental de l’habitabilité planétaire.
« Nos connaissances croissantes sur la grande diversité des exoplanètes nous ont permis d'envisager de nouveaux détails sur les premiers stades de la formation et de l'évolution des planètes rocheuses », a expliqué Miozzi.
« Cela a ouvert la porte à l'étude d'une nouvelle source d'approvisionnement en eau planétaire – un mystère longtemps débattu parmi les scientifiques de la Terre et des planètes – mais les expériences conçues dans ce but étaient absentes. »
Ce travail fait partie du projet interdisciplinaire et multi-institutionnel AETHER (Atmospheric Empirical, Theoretical, and Experimental Research), fondé et dirigé par Shahar.
L'initiative combine des expertises dans divers domaines, notamment l'astronomie, la cosmochimie, la dynamique planétaire, la pétrologie, la physique minérale, etc., pour répondre à des questions fondamentales sur les caractéristiques qui permettent aux planètes rocheuses de développer des conditions favorables à l'accueil de la vie.
Leurs travaux visent particulièrement à tenter de relier les observations des atmosphères planétaires à l’évolution et à la dynamique de leurs corps rocheux.
Des recherches antérieures en modélisation mathématique ont démontré que les interactions entre l’hydrogène atmosphérique et les océans magmatiques ferreux au cours de la formation des planètes peuvent produire des quantités importantes d’eau. Cependant, aucun test expérimental complet de cette source d’eau planétaire proposée n’avait été réalisé jusqu’à présent.
Miozzi et Shahar ont dirigé une équipe internationale de chercheurs de l'Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) et de l'UCLA pour créer les conditions dans lesquelles de telles interactions entre l'hydrogène, représentant l'atmosphère planétaire primitive, et la fonte de silice riche en fer, représentant l'océan magmatique formateur, se produiraient sur une jeune planète.
Ils y sont parvenus en comprimant les échantillons jusqu'à près de 600 000 fois la pression atmosphérique (60 gigapascals) et en les chauffant à plus de 4 000 degrés Celsius (7 200 degrés Fahrenheit).
Leur environnement expérimental imite une phase critique du processus évolutif d’une planète rocheuse. De tels corps sont formés à partir du disque de poussière et de gaz qui entoure une jeune étoile après sa naissance. Cette matière s'accumule en corps qui s'écrasent les uns sur les autres et deviennent plus gros et plus chauds, finissant par fondre dans un vaste océan de magma.
Ces jeunes planètes sont souvent entourées d'une épaisse enveloppe d'hydrogène moléculaire, H2qui peut agir comme une « couverture thermique », maintenant l’océan magmatique pendant des milliards d’années avant qu’il ne se refroidisse.
« Notre travail a fourni la première preuve expérimentale de deux processus critiques du début de l'évolution planétaire », a indiqué Miozzi. « Nous avons montré qu'une grande quantité d'hydrogène est dissoute dans la masse fondue et que des quantités importantes d'eau sont créées par la réduction de l'oxyde de fer par l'hydrogène moléculaire. »
Pris ensemble, ces résultats démontrent que de grandes quantités d’hydrogène peuvent être stockées dans l’océan magmatique pendant la formation d’eau. Cela a des implications majeures sur les propriétés physiques et chimiques de l'intérieur de la planète, avec des effets potentiels également sur le développement du noyau et la composition atmosphérique.
« La présence d'eau liquide est considérée comme essentielle à l'habitabilité planétaire », conclut Shahar. « Ce travail démontre que de grandes quantités d'eau sont créées comme une conséquence naturelle de la formation des planètes. Cela représente une avancée majeure dans notre réflexion sur la recherche de mondes lointains capables d'héberger la vie. »
