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Sous la surface des mondes aquatiques de notre galaxie

Sous la surface des mondes aquatiques de notre galaxie

Le concept de cet artiste montre une planète hypothétique recouverte d'eau autour du système d'étoiles binaires de Kepler-35A et B. La composition de ces mondes aquatiques fascine les astronomes et les astrophysiciens depuis des années. Crédit: NASA / JPL-Caltech

Au-delà de notre système solaire, visible uniquement comme le plus petit point de l'espace, même avec les télescopes les plus puissants, d'autres mondes existent. Beaucoup d'astronomes ont découvert que ces mondes sont peut-être beaucoup plus grands que la Terre et complètement recouverts d'eau – essentiellement des planètes océaniques sans masses terrestres saillantes. Quel genre de vie pourrait se développer sur un tel monde? Un habitat comme celui-ci pourrait-il même soutenir la vie?


Une équipe de chercheurs dirigée par l'Arizona State University (ASU) a récemment entrepris d'étudier ces questions. Et comme ils ne pouvaient pas voyager vers des exoplanètes éloignées pour prélever des échantillons, ils ont décidé de recréer les conditions de ces mondes aquatiques en laboratoire. Dans ce cas, ce laboratoire était l'Advanced Photon Source (APS), une installation du Bureau des sciences du Département américain de l'énergie (DOE) du Laboratoire national d'Argonne du DOE.

Ce qu'ils ont trouvé — récemment publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences—Était une nouvelle phase de transition entre la silice et l'eau, ce qui indique que la frontière entre l'eau et la roche sur ces exoplanètes n'est pas aussi solide qu'elle ne l'est ici sur Terre. Cette découverte cruciale pourrait changer la façon dont les astronomes et les astrophysiciens modélisent ces exoplanètes et éclairer la façon dont nous pensons à la vie évoluant sur elles.

Dan Shim, professeur agrégé à l'ASU, a dirigé cette nouvelle recherche. Shim dirige le laboratoire de l'ASU pour la Terre et les matériaux planétaires et est depuis longtemps fasciné par la composition géologique et écologique de ces mondes lointains. Cette composition, a-t-il dit, ne ressemble à aucune planète de notre système solaire – ces planètes peuvent avoir plus de 50% d'eau ou de glace au-dessus de leurs couches rocheuses, et ces couches rocheuses devraient exister à des températures très élevées et sous une pression écrasante.

"Il est difficile de déterminer la géologie des exoplanètes, car nous ne pouvons pas utiliser de télescopes ou envoyer des rovers à leur surface", a déclaré Shim. "Nous essayons donc de simuler la géologie en laboratoire."

Comment fait-on cela? Tout d'abord, vous avez besoin des bons outils. Pour cette expérience, Shim et son équipe ont apporté leurs échantillons à deux lignes de lumière APS: GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) sur la ligne de faisceau 13-ID-D, exploitée par l'Université de Chicago, et High-Pressure Collaborative Access Team (HPCAT) sur la ligne de faisceau 16-ID -B, opéré par la division de la science des rayons X d'Argonne.

Les échantillons ont été comprimés dans des cellules à enclume de diamant, essentiellement deux diamants de qualité gemme avec de minuscules pointes plates. Placez un échantillon entre eux et vous pouvez serrer les diamants ensemble, augmentant la pression.

"Nous pouvons augmenter la pression jusqu'à plusieurs millions d'atmosphères", a déclaré Yue Meng, physicien à la Division des sciences des rayons X d'Argonne et co-auteur de l'article. Meng a été l'un des principaux concepteurs des techniques utilisées au HPCAT, spécialisé dans les expériences à haute pression et haute température.

"L'APS est l'un des rares endroits au monde où vous pouvez effectuer ce type de recherche de pointe", a-t-elle déclaré. "Les scientifiques, les techniciens et les ingénieurs de la ligne de faisceau rendent cette recherche possible."

La pression des exoplanètes, a déclaré Shim, peut être calculée, même si les données dont nous disposons sur ces planètes sont limitées. Les astronomes peuvent mesurer la masse et la densité, et si la taille et la masse de la planète sont connues, la bonne pression peut être déterminée.

Une fois l'échantillon sous pression, des lasers infrarouges, qui peuvent être ajustés à une taille inférieure à la largeur d'une cellule sanguine humaine, sont utilisés pour le chauffer. "Nous pouvons porter l'échantillon à des milliers de degrés Fahrenheit", a déclaré Vitali Prakapenka, un scientifique de la ligne de lumière à GSECARS, professeur de recherche à l'Université de Chicago et co-auteur du document. "Nous avons deux lasers haute puissance qui brillent sur l'échantillon des deux côtés précisément alignés avec une sonde à rayons X APS ultra-brillante et des mesures de température le long des chemins optiques avec une précision inférieure au micron."

La température des exoplanètes est plus difficile à mesurer, car de nombreux facteurs la déterminent: la quantité de chaleur contenue à l'intérieur de la planète, l'âge de la planète et la quantité d'isotopes radioactifs en décomposition à l'intérieur de la structure, dégageant plus de chaleur. L'équipe de Shim a calculé une plage de températures à partir de laquelle travailler.

Une fois que l'échantillon est mis sous pression et chauffé, les faisceaux de rayons X ultra-brillants de l'APS (qui peuvent voir à travers les diamants et dans l'échantillon lui-même) peuvent permettre aux scientifiques de prendre des instantanés des changements de structure à l'échelle atomique pendant les réactions chimiques au fur et à mesure qu'elles se produisent . Dans ce cas, Shim et son équipe ont plongé une petite quantité de silice dans l'eau, augmenté la pression et la température et surveillé la réaction des matériaux.

Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'à haute température et pression d'environ 30 gigapascals (environ 300 000 fois la pression atmosphérique standard sur Terre), l'eau et la roche commencent à fusionner.

"Si vous deviez construire une planète avec de l'eau et de la roche, vous supposeriez que l'eau forme une couche au-dessus de la roche", a-t-il dit. "Ce que nous avons découvert, c'est que ce n'est pas nécessairement vrai. Avec suffisamment de chaleur et de pression, la frontière entre la roche et l'eau devient floue."

C'est une nouvelle idée qui devra être intégrée dans les modèles d'exoplanètes, a déclaré Prakapenka.

"L'essentiel est qu'il indique aux personnes qui modélisent la structure de ces planètes que la composition est plus compliquée que nous ne le pensions", a déclaré Prakapenka. "Avant, nous pensions qu'il y avait une séparation entre la roche et l'eau, mais sur la base de ces études, il n'y a pas de frontière nette."

Les scientifiques ont déjà mené des expériences similaires auparavant, a déclaré Shim, mais celles-ci étaient basées sur un environnement semblable à la Terre avec de plus petits incréments d'eau. L'observation de cette nouvelle transition de phase donne aux modélisateurs une meilleure idée de la composition géologique réelle des exoplanètes riches en eau, ainsi que des aperçus sur les types de vie qui pourraient abriter ces exoplanètes.

"C'est un point de départ pour construire le fonctionnement de la chimie sur ces planètes", a déclaré Shim. "La façon dont l'eau interagit avec la roche est importante pour la vie sur Terre, et par conséquent, il est également important de comprendre le type de vie qui pourrait exister sur certains de ces mondes."

Shim reconnaît que cette recherche n'est pas la première chose que l'on peut imaginer en pensant à une source de lumière comme l'APS. Mais c'est exactement cette diversité qui, selon lui, est un avantage des installations d'utilisateurs à grande échelle.

"Les gens pensent à peine à l'astrophysique lorsqu'ils parlent d'une installation à rayons X", a-t-il déclaré. "Mais nous pouvons utiliser une installation comme l'APS pour comprendre un objet trop éloigné pour que nous puissions le voir."


Des scientifiques mènent une étude sur les «mondes aquatiques» de la galaxie


Plus d'information:
Carole Nisr et al, Large solubilité H2O dans la silice dense et ses implications pour l'intérieur des planètes riches en eau, Actes de l'Académie nationale des sciences (2020). DOI: 10.1073 / pnas.1917448117

Fourni par
Laboratoire national d'Argonne

Citation:
Sous la surface des mondes aquatiques de notre galaxie (2020, 24 juin)
récupéré le 24 juin 2020
depuis https://phys.org/news/2020-06-beneath-surface-galaxy-worlds.html

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