En calculant à l'aide de la mécanique quantique sur ordinateur le comportement des matériaux constituant probablement les coeurs de Jupiter et Saturne, des planétologues sont arrivés à la conclusion que ces coeurs seraient en train de se dissoudre au sein de l'hydrogène liquide métallique dans lequel ils baignent.

Jupiter et Saturne sont les seules géantes gazeuses à portée de main de l'humanité. Comprendre leur structure et la façon dont elles se sont formées est donc important, non seulement pour retracer l'origine et la formation du Système solaire, mais aussi pour comprendre les exoplanètes découvertes depuis 1995 et qui sont, elles aussi, des géantes gazeuses.

L'une des questions qui se posent concernant ces deux planètes chères à André Brahic, c'est évidement celle de leur structure interne. Bien que majoritairement constituées d'hydrogène et d'hélium, on pense qu'elles possèdent un coeur rocheux avec des glaces. Mais il s'agit de spéculations basées sur ce que l'on peut mesurer à l'extérieur de ces planètes et sur les scénarios de formation du Système solaire.

En ce qui concerne Jupiter, on devrait tout de même en savoir plus à partir de 2016 lorsque la mission Juno se mettra en orbite autour de la planète. L'étude fine de son champ de gravitation devrait permettre de faire l'équivalent de ce que les géophysiciens appellent résoudre un problème inverse. Dans ce cas précis, il s'agira de dériver des contraintes sur sa distribution interne de masse à partir du champ de gravitation externe qu'elle engendre.

En attendant, la seule façon de tenter de comprendre le coeur de Jupiter, c'est d'utiliser des ordinateurs pour simuler le comportement de la matière soumise à des températures dépassant les 10.000 degrés et des pressions de plusieurs dizaines de milliers d'atmosphères.

Des coeurs qui se dissolvent dans l'hydrogène métallique liquide

C'est à ce jeu que joue depuis des années Burkhard Militzer, un assistant professeur en sciences planétaires et en astronomie à l'université de Berkeley. Il s'est dèja fait connaitre par ses travaux sur le coeur de Jupiter, sur lesquel il pourrait y avoir des pluies d'hélium. Il vient de déposer sur arxiv deux nouveaux articles écrits avec des collègues.

On pense que les géantes gazeuses se sont formées par accrétion d'hydrogène et d'hélium gazeux autour d'un protocoeur initial de roches et de glaces. Des calculs pour étudier la solubilité des roches dans l'hydrogène liquide, en choisissant l'oxyde de magnésium comme un exemple représentatif des matériaux rocheux, montrent que MgO est très soluble dans l'hydrogène liquide pour des températures supérieures à environ 10.000 K. On voit sur le diagramme ci-dessus les zones où glace et MgO se dissolvent dans l'hydrogène et où se trouvent les coeurs des géantes. En ordonnées on a la température en milliers de kelvins et en abscisses la pression en millions de bars. © Burkhard Militzer

Jupiter possède une masse de 318 fois celle de la Terre et l'on pense qu'il possède un noyau rocheux et glacé pesant environ 10 fois la masse de notre planète. Mais selon ces articles, cela n'a probablement pas été le cas il y a des milliards d'années.

En effet, le coeur rocheux de Jupiter baigne selon toute probabilité dans de l'hydrogène et de l'hélium liquides à une température de 16.000 K et une pression de 40 millions d'atmosphères environ. D'après les calculs effectués sur ordinateur, qui font appel à une description quantique de la matière condensée dans ces conditions extrêmes (rappelons que la température de surface du Soleil est d'environ 6.000 K), la glace doit finir par se dissoudre dans l'hydrogène liquide.

De même, les calculs de cosmochimie qui prédisent un coe ur rocheux contenant beaucoup d'oxyde de magnésium MgO, impliquent que dans les simulations effectuées, le coeur rocheux de Jupiter doit lui aussi finir par se dissoudre dans l'hydrogène liquide.

Des implications pour les exoplanètes gazeuses

Des conclusions similaires doivent être valables aussi pour le coeur de Saturne. Toutefois, la vitesse avec laquelle cette dissolution pourrait s'effectuer pour les coeurs rocheux n'est pas bien déterminée. Il reste donc difficile de dire si les coeurs rocheux des géantes étaient beaucoup plus importants qu'aujourd'hui ou non. De plus, on ne sait pas vraiment si des courants de convection ne sont pas susceptibles de transférer la matière des roches et des glaces dissoutes dans des couches supérieures des deux planètes géantes.

Il n'en reste pas moins qu'il s'agit de considérations importantes pour qui veut comprendre à quoi ressemblaient vraiment ces géantes lorsqu'elles se sont formées. On doit certainement aussi prendre tout cela en considération lorsque l'on propose que certaines des superterres observées sont en réalité des anciens noyaux de géantes gazeuses.

 

Jupiter vue par la sonde Cassini en route vers Saturne. © Nasa

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