On sait que la Terre possède un noyau de fer, un manteau de roches silicatées et des masses d’eau (océans) à sa surface. Jusqu’à présent, ce modèle planétaire simple était également utilisé par les scientifiques lorsqu’il s’agissait d’étudier ce que l’on appelle les exoplanètes, qui tournent autour d’une autre étoile en dehors de notre système solaire. "Ce n’est que ces dernières années que l’on a commencé à prendre en compte le fait que les planètes sont plus complexes", explique Caroline Dorn, professeur d’exoplanètes à l’EPF de Zurich.
La plupart des exoplanètes que l’on connaît aujourd’hui sont proches de leur étoile. Ce sont donc surtout des mondes chauds, qui n’ont pas encore de manteau refroidi de roches silicatées comme la Terre, mais des océans de magma en fusion. L’eau se dissout très bien dans ces océans de magma - contrairement au dioxyde de carbone, par exemple, qui dégaze rapidement et s’élève dans l’atmosphère.
Sous le manteau de silicate fondu se trouve le noyau de fer. Qu’en est-il maintenant de la répartition de l’eau entre les silicates et le fer ? C’est précisément ce que Dorn a étudié avec Haiyang Luo et Jie Deng de l’université américaine de Princeton à l’aide de modèles de calcul basés sur les lois fondamentales de la physique. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue Nature Astronomy.
Soupe de magma avec de l’eau et du fer
Pour expliquer ces résultats, l’auteur de l’étude, Mme Dorn, doit faire un petit détour : "Le noyau de fer ne se forme qu’avec le temps. Au début, une grande quantité de fer est encore présente sous forme de gouttelettes dans la soupe de magma chaude". L’eau dissoute dans la soupe de magma se lie volontiers à ces gouttelettes de fer et coule avec elles vers le noyau. "Les gouttelettes de fer se comportent comme un ascenseur qui fait descendre l’eau", explique Dorn.Jusqu’à présent, on ne connaissait ce comportement que pour des pressions modérées, comme celles qui règnent à l’intérieur de la Terre. Pour les planètes plus grandes avec des pressions plus élevées à l’intérieur, on ne savait pas ce qui se passait. "C’est l’un des résultats les plus importants de notre étude", explique Dorn : "Plus la planète est grande et plus la masse qui l’accompagne est importante, plus l’eau a tendance à descendre vers le noyau avec les gouttelettes de fer". Dans certaines conditions, le fer peut absorber jusqu’à 70 fois plus d’eau que les silicates. Sous l’effet de l’énorme pression régnant dans le noyau, l’eau ne se présente toutefois plus sous forme de molécules H2O, mais sous forme d’hydrogène et d’oxygène.
De grandes quantités d’eau également à l’intérieur de la Terre
Cette étude a été déclenchée par des recherches sur la teneur en eau de la Terre, qui ont abouti à un résultat surprenant il y a quatre ans : Les océans à la surface de la Terre ne contiennent qu’une petite partie de la quantité totale d’eau de notre planète. Le contenu de plus de 80 océans terrestres pourrait être caché à l’intérieur de la Terre. C’est ce que montrent les simulations qui ont calculé comment l’eau se comportait dans les conditions qui prévalaient sur la jeune Terre. Les expériences et les mesures sismologiques sont compatibles avec cette hypothèse."La plupart de l’eau sur les exoplanètes est stockée profondément à l’intérieur et non à la surface".
Les nouvelles connaissances sur la répartition de l’eau dans les planètes ont un impact drastique sur l’interprétation des données d’observation astronomique. Avec leurs télescopes dans l’espace et sur Terre, les astronomes peuvent, dans certaines circonstances, mesurer le poids et la taille d’une exoplanète. Ils en tirent des diagrammes masse-rayon qui permettent de tirer des conclusions sur la composition de la planète. Si l’on ignore - comme c’était le cas jusqu’à présent - la solubilité et la répartition de l’eau, on sous-estime considérablement la quantité d’eau, jusqu’à dix fois. "Les planètes sont beaucoup plus riches en eau qu’on ne le pensait jusqu’à présent", explique Dorn.
Comprendre l’histoire de l’évolution
La répartition de l’eau est également importante si l’on veut comprendre comment les planètes se forment et évoluent. L’eau qui a coulé dans le noyau y reste enfermée pour toujours. En revanche, l’eau dissoute dans l’océan de magma du manteau peut dégazer et remonter à la surface pendant le refroidissement du manteau terrestre. "Donc, si on trouve de l’eau dans l’atmosphère d’une planète, il y en a probablement beaucoup plus à l’intérieur", explique Dorn.C’est ce que cherche le télescope spatial James Webb , qui envoie depuis deux ans des données de l’espace vers la Terre. Il peut détecter des molécules dans l’atmosphère des exoplanètes. "Seule la composition de la haute atmosphère des exoplanètes peut être mesurée directement", explique la chercheuse : "Dans notre groupe, nous voulons faire le lien entre l’atmosphère et l’intérieur profond des corps célestes".
Les nouvelles données de l’exoplanète appelée TOI-270d sont particulièrement intéressantes. "On y a recueilli des indices montrant que de telles interactions entre l’océan de magma à l’intérieur et l’atmosphère existent réellement", explique Dorn, qui a participé à la publication correspondante sur TOI-270d. La planète K2-18b, qui a fait la une des journaux parce qu’elle pourrait abriter la vie, figure également sur sa liste d’objets passionnants qu’elle souhaite étudier de plus près.
Les mondes aquatiques sont-ils propices à la vie ?
L’eau est considérée comme l’une des conditions préalables au développement de la vie. On a longtemps spéculé sur la possibilité d’habiter des super-Terres riches en eau, c’est-à-dire des planètes de la taille de quelques masses terrestres, dont la surface est recouverte d’un océan global profond. Des calculs ont ensuite suggéré que trop d’eau pourrait être hostile à la vie. En effet, sur ces mondes aquatiques, une couche de glace exotique à haute pression à la transition entre l’océan et le manteau de la planète empêcherait l’échange de substances vitales, selon l’argumentation.La nouvelle étude arrive maintenant à une autre conclusion : Les mondes avec des couches d’eau profondes ne sont probablement pas fréquents, car la majeure partie de l’eau des super-Terres ne se trouve pas à la surface comme on le pensait jusqu’à présent, mais est enfermée dans le noyau. C’est pourquoi même les planètes avec une proportion d’eau relativement élevée pourraient avoir le potentiel de développer des conditions similaires à celles de la Terre et favorables à la vie, supposent les chercheurs. Leur étude apporte donc un nouvel éclairage sur l’existence possible de mondes riches en eau qui pourraient abriter la vie, concluent Dorn et ses collègues.
Caroline Dorn est professeur d’exoplanètes au Département de physique de l’EPFZ. Ses recherches font partie du Pôle de recherche national (PRN) PlanetS et du Centre for Origin and Prevalence of Life (COPL) à l’EPFZ.
