UN étude récente dans Nature Communications Des études menées par des scientifiques chinois et belges suggèrent que la limite noyau-manteau de Mercure (CMB) comprend une couche de diamant, potentiellement épaisse jusqu’à 18 kilomètres, profondément à l’intérieur de la planète.
Mercure, la plus petite et la plus interne des planètes de notre système solaire, a longtemps intrigué les scientifiques en raison de sa surface remarquablement sombre et de la densité élevée de son noyau. Des missions précédentes, comme la sonde spatiale MESSENGER de la NASA, avaient révélé que la surface de Mercure contenait d’importantes quantités de graphite, une forme de carbone.
Les chercheurs en sont venus à la conclusion que l’histoire primitive de la planète impliquait un océan de magma riche en carbone. Phys.org s’est entretenu avec l’un des co-auteurs de l’étude, le Dr Yanhao Lin, du Centre de recherche avancée sur les sciences et technologies à haute pression de Pékin.
« Il y a de nombreuses années, j’ai remarqué que la teneur extrêmement élevée en carbone de Mercure pouvait avoir des conséquences importantes. Cela m’a fait réaliser que quelque chose de spécial s’était probablement produit à l’intérieur de son corps », a déclaré le Dr Lin.
Ce que nous savons sur Mercure
Les informations les plus détaillées sur Mercure proviennent des missions MESSENGER et Mariner 10 de la NASA.
Des observations antérieures effectuées par le vaisseau spatial MESSENGER avaient révélé que la surface de Mercure était inhabituellement sombre en raison de la présence généralisée de graphite.
On pense que l’abondance de carbone à la surface provient d’une ancienne couche de graphite qui a flotté à la surface il y a très longtemps. Cela suggère que Mercure avait autrefois une couche de surface en fusion ou un océan de magma contenant une quantité importante de carbone.
Au fil du temps, à mesure que la planète se refroidissait et se solidifiait, ce carbone a formé une croûte de graphite à la surface.
Les chercheurs remettent toutefois en cause l’hypothèse selon laquelle le graphite était la seule phase stable contenant du carbone lors de la cristallisation de l’océan de magma de Mercure, à l’époque où le manteau de la planète (couche intermédiaire) se refroidit et se solidifie.
Les premières hypothèses sur la croûte de graphite reposaient sur des prévisions de température et de pression plus basses pour le CMB. Mais des études plus récentes suggèrent que le CMB est plus profond qu’on ne le pensait, ce qui incite les chercheurs à réévaluer la croûte de graphite.
En plus, une autre étude a également suggéré la présence de soufre dans le noyau de fer de Mercure. La présence de soufre pourrait avoir un effet sur la cristallisation de l’océan de magma de Mercure, ce qui remet en cause l’affirmation initiale selon laquelle seule la présence de graphite était présente durant cette phase.
Recréer les conditions de l’intérieur de Mercure
Pour recréer les conditions de l’intérieur de Mercure, les chercheurs ont utilisé une combinaison d’expériences de haute pression et de température et de modélisation thermodynamique.
« Nous utilisons la presse à grand volume pour imiter les conditions de haute température et de haute pression de la limite noyau-manteau de Mercure et les combinons avec les modèles géophysiques et les calculs thermodynamiques », a expliqué le Dr Lin.
Ils ont utilisé du silicate synthétique comme matériau de départ pour reproduire la composition du manteau de Mercure. Il s’agit d’une méthode couramment utilisée pour étudier l’intérieur des planètes.
Les chercheurs ont atteint des niveaux de pression allant jusqu’à 7 gigapascals (GPa), soit environ sept fois la pression trouvée dans les parties les plus profondes de la fosse des Mariannes.
Dans ces conditions, l’équipe a étudié comment les minéraux (ceux présents à l’intérieur de Mercure) fondent et atteignent des phases d’équilibre et a caractérisé ces phases, en se concentrant sur celles du graphite et du diamant.
Ils ont également analysé la composition chimique des échantillons expérimentaux.
« En laboratoire, nous essayons de reproduire les pressions et les températures extrêmes de l’intérieur d’une planète. C’est parfois un défi, car il faut adapter les appareils aux besoins. Les dispositifs expérimentaux doivent être extrêmement précis pour simuler ces conditions », explique le Dr Lin.
Ils ont également utilisé la modélisation géophysique pour étudier les données observées sur l’intérieur de Mercure.
« Les modèles géophysiques proviennent principalement des données collectées par les engins spatiaux et nous indiquent les structures fondamentales de l’intérieur d’une planète », a déclaré le Dr Lin.
Ils ont utilisé le modèle pour prédire la stabilité de phase, calculer les pressions et les températures du CMB et simuler la stabilité du graphite et du diamant sous des températures et des pressions extrêmes.
Les diamants se forment sous la pression
En intégrant les données expérimentales aux simulations géophysiques, les chercheurs ont pu estimer la pression CMB de Mercure à environ 5,575 GPa.
Avec une teneur en soufre d’environ 11 %, les chercheurs ont observé une variation considérable de température de 358 Kelvin dans l’océan magmatique de Mercure. Les chercheurs suggèrent que, bien que le graphite ait probablement été la phase de carbone dominante lors de la cristallisation de l’océan magmatique, la cristallisation du noyau a conduit à la formation d’une couche de diamant au niveau du CMB.
« Le soufre abaisse le liquidus de l’océan de magma de Mercure. Si le diamant se forme dans l’océan de magma, il peut couler au fond et se déposer dans le CMB. D’autre part, le soufre contribue également à la formation d’une couche de sulfure de fer dans le CMB, qui est liée à la teneur en carbone lors de la différenciation planétaire », a expliqué le Dr Lin.
La différenciation planétaire fait référence au processus par lequel une planète devient structurée en interne, c’est-à-dire le centre ou le noyau, vers lequel les minéraux les plus lourds coulent, et la surface ou la croûte, vers laquelle les minéraux plus légers montent.
Selon leurs conclusions, la couche de diamant du CMB aurait une épaisseur estimée entre 15 et 18 kilomètres. Ils suggèrent également que la température actuelle du CMB de Mercure est proche du point où le graphite peut se transformer en diamant, ce qui stabiliserait la température du CMB.
Systèmes exoplanétaires riches en carbone
L’une des implications de ces découvertes concerne le champ magnétique de Mercure, qui est anormalement fort pour sa taille.
Le Dr Lin a expliqué : « Le carbone du noyau en fusion devient sursaturé en refroidissant, formant du diamant et flottant vers le CMB. La conductivité thermique élevée du diamant contribue à transférer efficacement la chaleur du noyau vers le manteau, provoquant une stratification de la température et un changement de convection dans le noyau externe liquide de Mercure, affectant ainsi la génération de son champ magnétique. »
En termes plus simples, lorsque la chaleur est transférée du noyau au manteau, elle influence les gradients de température et la convection dans le noyau externe liquide de Mercure, ce qui affecte sa génération de champ magnétique.
Le Dr Lin a également souligné le rôle crucial joué par le carbone dans la formation de systèmes exoplanétaires riches en carbone.
« Cela pourrait également être pertinent pour la compréhension d’autres planètes telluriques, en particulier celles qui ont des tailles et des compositions similaires. Les processus qui ont conduit à la formation d’une couche de diamant sur Mercure pourraient également s’être produits sur d’autres planètes, laissant potentiellement des signatures similaires », a conclu le Dr Lin.
Plus d’information:
Yongjiang Xu et al., Une limite noyau-manteau contenant des diamants sur Mercure, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49305-x.
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