Le graphique montre la pluie de diamants à l’intérieur de la planète, composée de diamants s’enfonçant dans la glace environnante. La pression et la température augmentent continuellement à mesure que l’on s’enfonce plus profondément dans la planète. Même dans les régions extrêmement chaudes, la glace reste en raison de la pression extrêmement élevée. Crédit : XFEL européen / Tobias Wüstefeld
Une nouvelle étude révèle que la « pluie de diamants » sur des planètes glacées comme Neptune et Uranus se forme dans des conditions moins extrêmes qu’on ne le pensait auparavant. Ce phénomène influence la dynamique interne et les champs magnétiques des planètes et pourrait également se produire sur des exoplanètes plus petites.
Une nouvelle expérience suggère que ces précipitations exotiques se forment à des pressions et des températures encore plus basses qu’on ne le pensait auparavant et pourraient influencer les champs magnétiques inhabituels de Neptune et d’Uranus.
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie a acquis de nouvelles connaissances sur la formation de diamants sur des planètes glacées telles que Neptune et Uranus. Les scientifiques pensent qu’après leur formation, ces diamants s’enfonceraient lentement plus profondément à l’intérieur de la planète en réponse aux forces gravitationnelles, entraînant une « pluie » de pierres précieuses provenant des couches supérieures.
Les résultats, publiés le 8 janvier dans Nature Astronomiesuggèrent que cette « pluie de diamants » se forme à des pressions et des températures encore plus basses qu’on ne le pensait auparavant et fournissent des indices sur l’origine des champs magnétiques complexes de Neptune et d’Uranus.
Aperçu des champs magnétiques planétaires
« La « pluie de diamants » sur les planètes glacées nous présente une énigme intrigante à résoudre », a déclaré Mungo Frost, scientifique du SLAC, qui a dirigé la recherche. «Il fournit une source interne de chauffage et transporte le carbone plus profondément dans la planète, ce qui pourrait avoir un impact significatif sur leurs propriétés et leur composition. Cela pourrait déclencher des mouvements au sein des glaces conductrices trouvées sur ces planètes, influençant la génération de leurs champs magnétiques.
Station expérimentale HED au XFEL européen. Crédit : XFEL européen / Jan Hosan
Expérimentation et observations
Lors de travaux antérieurs menés au laser à rayons X à électrons libres (XFEL) du Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, les scientifiques ont pu observer une « pluie de diamants » se formant dans des conditions de haute pression, confirmant la possibilité de formation de diamants sur des surfaces glacées. planètes, qui sont principalement composées d’eau, d’ammoniac et d’hydrocarbures. Ils ont découvert plus tard que la présence d’oxygène rend la formation de diamants plus probable, permettant ainsi aux diamants de se former et de croître dans un plus large éventail de conditions et sur un plus grand nombre de planètes.
Auparavant, les pressions et températures élevées étaient générées par la compression par choc des hydrocarbures avec des lasers de haute puissance, ce qui ne permettait de maintenir les conditions que pendant quelques nanosecondes. Dans cette nouvelle expérience, menée au laser européen à électrons libres à rayons X en Allemagne, l’équipe a étudié la réaction sur des échelles de temps beaucoup plus longues que d’autres expériences utilisant une approche différente.
Dans cette expérience, les chercheurs ont soumis un film plastique fabriqué à partir d’un composé d’hydrocarbure polystyrène en tant que source de carbone, aux pressions et températures extrêmes que l’on trouve au plus profond de ces planètes glacées. Les hautes pressions ont été générées en pressant le film entre les pointes de deux diamants à l’aide d’une « cellule à enclume en diamant » dans laquelle les enclumes fonctionnent comme un mini-étau capable de maintenir la pression presque indéfiniment. Le film a ensuite été exposé à plusieurs doses de rayons X à haute énergie générés par le XFEL européen pour le chauffer à plus de 2 200 degrés. Celsius, imitant les conditions extrêmes trouvées au plus profond de ces planètes. Dans ces conditions extrêmes, des diamants se forment à partir du film, un processus qui se déroule de la même manière qu’à l’intérieur des planètes.
Ensuite, les chercheurs ont utilisé des impulsions de rayons X produites par le XFEL européen pour observer quand et comment les diamants se sont formés au cours de leurs expériences. La pression et la température auxquelles les diamants ont été observés ont permis aux chercheurs de prédire la profondeur à laquelle ils pourraient se former à l’intérieur de la planète.
Mystères du champ magnétique
En étudiant les hydrocarbures chauffés sur des périodes plus longues, les chercheurs ont découvert que la formation de diamants se produit à des pressions et des températures encore plus basses que prévu. Dans le cas d’Uranus et de Neptune, cela signifie que la pluie de diamants peut se former à une profondeur moindre qu’on ne le pensait initialement et pourrait avoir une influence plus forte sur la formation de leurs champs magnétiques inhabituels.
Contrairement au champ magnétique terrestre, les champs autour de ces planètes glacées ne sont pas symétriques et ne s’étendent pas à partir de chaque pôle. Ces propriétés suggèrent que les champs ne sont pas générés dans le noyau planétaire mais dans une fine couche de matériau conducteur.
Après leur formation, les particules de diamant peuvent entraîner avec elles du gaz et de la glace lorsqu’elles descendent des couches externes vers les couches internes de la planète, provoquant des courants de glace. Les nouveaux résultats montrent que les diamants se forment au-dessus d’une couche de glace conductrice, qu’ils remuent lorsqu’ils tombent. Les courants qui en résultent agissent comme une sorte de dynamo entraînant les champs magnétiques des planètes.
Implications pour les exoplanètes
Les résultats suggèrent également que des pluies de diamants seraient possibles sur des planètes gazeuses plus petites que Neptune et Uranus – appelées « mini-Neptunes » – l’un des types d’exoplanètes les plus courants trouvés en dehors du système solaire.
Ensuite, les chercheurs prévoient des expériences similaires qui les amèneront encore plus à comprendre exactement comment la pluie de diamants se forme sur d’autres planètes et a un impact sur leurs propriétés.
« Cette découverte révolutionnaire approfondit non seulement notre connaissance de nos planètes glacées locales, mais a également des implications pour la compréhension de processus similaires dans les exoplanètes au-delà de notre système solaire », a déclaré Siegfried Glenzer, directeur de la haute densité énergétique du SLAC.
Cette recherche a été soutenue par le Bureau scientifique du DOE et la National Nuclear Security Administration. LCLS est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
