Au cœur des mondes extraterrestres, les cristaux se forment sous des pressions jusqu'à 40 millions de fois plus intenses que la pression atmosphérique sur Terre, et jusqu'à 10 fois plus intenses que la pression dans le noyau de notre planète. Mieux les comprendre pourrait nous aider à rechercher la vie ailleurs dans notre galaxie.
À l'heure actuelle, les scientifiques ne savent presque rien de ces mystérieux cristaux. Ils ne savent pas comment et quand ils se forment, à quoi ils ressemblent ou comment ils se comportent. Mais les réponses à ces questions pourraient avoir d'énormes implications pour les surfaces de ces mondes - qu'elles soient couvertes de magma ou de glace, ou bombardées de rayonnement par leurs étoiles hôtes. À son tour, la réponse pourrait affecter la possibilité que ces planètes abritent la vie.
L'intérieur de ces exoplanètes nous est mystérieux car, dans notre système solaire, les planètes ont tendance à être petites et rocheuses, comme la Terre et Mars, ou grandes et gazeuses, comme Saturne et Jupiter. Mais ces dernières années, les astronomes ont découvert que les soi-disant «super-Terres» - planètes rocheuses géantes - et «mini-Neptunes» - planètes gazeuses plus petites que celles qui existent dans notre système solaire - sont plus courantes dans le reste de notre galaxie.
Parce que ces planètes ne peuvent être vues que comme de faibles scintillements dans la lumière provenant de leurs étoiles hôtes, beaucoup de choses restent mystérieuses. Sont-ils superdenses ou super larges? De quoi sont faites leurs surfaces? Ont-ils des champs magnétiques? Il s'avère que les réponses à ces questions dépendent fortement du comportement de la roche et du fer dans leurs noyaux ultrapressurisés.
Les limites de la science actuelle
À l'heure actuelle, notre compréhension des exoplanètes est basée principalement sur l'augmentation ou la réduction de ce que nous savons des planètes dans notre propre système solaire, a déclaré Diana Valencia, scientifique planétaire à l'Université de Toronto au Canada, qui a appelé lors de la réunion de mars de l'Américain. Société physique (APS) pour les physiciens des minéraux afin d'explorer ces matériaux exoplanétaires exotiques.
Le problème avec l'approche à grande échelle est que vous ne pouvez pas vraiment comprendre comment le fer se comportera à 10 fois la pression du noyau terrestre simplement en se multipliant, a-t-elle déclaré. À ces pressions énormes, les propriétés des produits chimiques changent fondamentalement.
"Nous nous attendrions à trouver des cristaux à l'intérieur de super-Terres qui n'existent pas sur Terre, ou ailleurs dans la nature, d'ailleurs", a déclaré Lars Stixrude, physicien théoricien des minéraux à l'Université de Californie à Los Angeles, qui a fait travaux théoriques de base pour calculer les propriétés de ces matériaux extrêmes. "Ce seraient des arrangements uniques d'atomes qui n'existent qu'à très haute pression."
Ces différents arrangements se produisent, a-t-il déclaré à Live Science, car d'énormes pressions modifient fondamentalement la façon dont les atomes se lient. À la surface de la Terre et même au plus profond de notre planète, les atomes se relient en utilisant uniquement les électrons de leur enveloppe extérieure. Mais à des pressions super-terrestres, des électrons plus proches du noyau atomique s'impliquent et changent complètement les formes et les propriétés des matériaux.
Et ces propriétés chimiques pourraient affecter le comportement de planètes entières. Par exemple, les scientifiques savent que les super-Terre piègent beaucoup de chaleur. Mais ils ne savent pas combien - et la réponse à cette question a des implications majeures pour les volcans et la tectonique des plaques de ces planètes. Aux pressions internes de la Terre, des éléments plus légers se mélangent au noyau de fer, impactant le champ magnétique de la planète - mais cela pourrait ne pas se produire à des pressions plus élevées. Même la taille physique des super-Terres dépend de la structure cristalline des composés dans leurs noyaux.
Mais sans planètes de ce type pour étudier de près dans notre propre système solaire, a déclaré Valence, les scientifiques doivent se tourner vers des calculs physiques de base et des expériences pour répondre à ce genre de questions. Mais ces calculs aboutissent souvent à des réponses ouvertes, a déclaré Stixrude. Quant aux expériences?
"Ces pressions et températures dépassent les capacités de la plupart des technologies et des expériences que nous avons aujourd'hui", a-t-il déclaré.
Construire une super-Terre sur Terre ordinaire
Sur Terre, les expériences de pression les plus extrêmes consistent à écraser de minuscules échantillons entre les pointes affûtées de deux diamants industriels.
Mais ces diamants ont tendance à se briser bien avant d'atteindre des pressions super-terrestres, a déclaré Stixrude. Pour contourner les limites des diamants, les physiciens se tournent vers des expériences de compression dynamique, du type de celles réalisées par le physicien des minéraux Tom Duffy et son équipe à l'Université de Princeton.
Ces expériences produisent plus de pressions de type super-terrestre, mais seulement pour des fractions de seconde.
"L'idée est que vous irradiez un échantillon avec un laser très puissant et que vous chauffez rapidement la surface de cet échantillon et que vous soufflez un plasma", a déclaré à Live Science Duffy, qui a présidé la session APS où Valence a parlé.
Des morceaux de l'échantillon, soudainement chauffés, explosent de la surface, créant une onde de pression qui se déplace à travers l'échantillon.
"C'est vraiment comme un effet de fusée", a déclaré Duffy.
Les échantillons impliqués sont minuscules - presque plats et d'environ un millimètre carré de surface, a-t-il déclaré. Et le tout dure une question de nanosecondes. Lorsque l'onde de pression atteint l'arrière de l'échantillon, le tout se brise. Mais grâce à des observations minutieuses au cours de ces brèves impulsions, Duffy et ses collègues ont découvert les densités et même les structures chimiques du fer et d'autres molécules sous des pressions inédites.
Il y a encore de nombreuses questions sans réponse, mais l'état des connaissances dans le domaine évolue rapidement, a déclaré Valence. Par exemple, le premier article sur la structure des super-Terres (que Valence a publié en février 2007 dans The Astrophysical Journal en tant qu'étudiant diplômé à Harvard) est obsolète parce que les physiciens ont obtenu de nouvelles informations sur les produits chimiques à l'intérieur de notre propre planète.
Répondre à ces questions est important, a déclaré Duffy, car ils peuvent nous dire si les mondes extraterrestres éloignés ont des caractéristiques telles que la tectonique des plaques, le magma qui coule et les champs magnétiques - et, par conséquent, s'ils peuvent soutenir la vie.
