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Les géants de glace Uranus et Neptune n’obtenez pas assez de presse; toute l’attention va à leurs frères et sœurs plus grands, le puissant Jupiter et le magnifique Saturne.
À première vue, Uranus et Neptune ne sont que des boules fades et ennuyeuses de molécules sans intérêt. Mais caché sous les couches extérieures de ces mondes, il peut y avoir quelque chose de spectaculaire : une pluie constante de diamants.
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« géants de glace » peuvent évoquer l’image d’une créature à la Tolkien, mais c’est le nom que les astronomes utilisent pour catégoriser les planètes les plus éloignées du système solaire, Uranus et Neptune.
De manière déroutante, cependant, le nom n’a rien à voir avec la glace au sens où vous le reconnaîtriez normalement – comme, par exemple, des glaçons dans votre boisson. La distinction vient de la composition de ces planètes. Les géantes gazeuses du système, Jupiter et Saturne, sont constitués presque entièrement de gaz : hydrogène et hélium. C’est grâce à l’accrétion rapide de ces éléments que ces énormes planètes ont réussi à atteindre leur taille actuelle.
En revanche, Uranus et Neptune sont constitués principalement d’eau, d’ammoniac et de méthane. Les astronomes appellent communément ces molécules « glaces », mais il n’y a vraiment pas de bonne raison à cela, sauf que lorsque les planètes se sont formées pour la première fois, ces éléments étaient probablement sous forme solide.
Dans les profondeurs (pas si) glacées
Profondément sous les sommets des nuages verts ou bleus d’Uranus et de Neptune, il y a beaucoup d’eau, d’ammoniac et de méthane. Mais ces géantes de glace ont probablement des noyaux rocheux entourés d’éléments qui sont probablement compressés dans des états quantiques exotiques. À un moment donné, cette étrangeté quantique se transforme en une « soupe » super pressurisée qui s’amincit généralement à mesure que vous vous rapprochez de la surface.
Mais à vrai dire, nous ne savons pas grand-chose de l’intérieur des géants de glace. La dernière fois que nous avons obtenu des données détaillées sur ces deux mondes, c’était il y a trois décennies, lorsque Voyageur 2 filé dans sa mission historique.
Depuis lors, Jupiter et Saturne ont accueilli plusieurs sondes en orbite, mais nos vues d’Uranus et de Neptune se sont limitées aux observations au télescope.
Pour essayer de comprendre ce qu’il y a à l’intérieur de ces planètes, les astronomes et les planétologues doivent prendre ces maigres données et les combiner avec des expériences de laboratoire qui tentent de reproduire les conditions de l’intérieur de ces planètes. De plus, ils utilisent de bonnes mathématiques à l’ancienne – beaucoup. La modélisation mathématique aide les astronomes à comprendre ce qui se passe dans une situation donnée sur la base de données limitées.
Et c’est grâce à cette combinaison de modélisation mathématique et d’expériences en laboratoire que nous avons réalisé qu’Uranus et Neptune pourraient avoir ce qu’on appelle une pluie de diamants.
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Il pleut des diamants
L’idée de la pluie de diamants a été proposée pour la première fois avant la mission Voyager 2 qui a été lancée en 1977. Le raisonnement était assez simple : nous savons ce qu’Uranus et Neptune est fait de, et nous savons que les choses deviennent plus chaudes et plus denses au fur et à mesure que vous vous enfoncez dans une planète. La modélisation mathématique aide à remplir les détails, comme le fait que les régions les plus internes des manteaux de ces planètes ont probablement des températures d’environ 7 000 kelvins (12 140 degrés Fahrenheit ou 6 727 degrés Celsius) et des pressions 6 millions de fois supérieures à celles de l’atmosphère terrestre.
Ces mêmes modèles nous disent que les couches les plus externes des manteaux sont un peu plus froides – 2 000 K (3 140 F ou 1 727 C) et un peu moins intensément pressurisées (200 000 fois la pression atmosphérique terrestre). , l’ammoniac et le méthane à ces types de températures et de pressions ?
Avec le méthane, en particulier, les pressions intenses peuvent briser la molécule, libérant le carbone. Le carbone retrouve alors ses frères, formant de longues chaînes. Les longues chaînes se resserrent ensuite pour former des motifs cristallins comme des diamants.
Les formations denses de diamants tombent ensuite à travers les couches du manteau jusqu’à ce qu’il devienne trop chaud, où elles se vaporisent et remontent et répètent le cycle – d’où le terme « pluie de diamants ».
Diamants de laboratoire
La meilleure façon de valider cette idée serait d’envoyer un engin spatial vers Uranus ou Neptune. Ce ne sera pas une option de sitôt, nous devons donc opter pour la deuxième meilleure solution : les expériences en laboratoire.
Au Terre, nous pouvons tirer de puissants lasers sur des cibles pour reproduire très brièvement les températures et les pressions trouvées à l’intérieur des géantes de glace. Une expérience avec du polystyrène (alias Styrofoam) a pu faire diamants nanométriques. Non, Uranus et Neptune ne contiennent pas de grandes quantités de polystyrène, mais le plastique était beaucoup plus facile à manipuler que le méthane en laboratoire et, vraisemblablement, se comporte de manière très similaire.
De plus, Uranus et Neptune peuvent maintenir ces pressions beaucoup plus longtemps qu’un laser de laboratoire, de sorte que les diamants pourraient vraisemblablement devenir beaucoup plus gros que la taille nanométrique.
Le résultat final ? Sur la base de tout ce que nous savons sur la composition des géantes de glace, leurs structures internes, les résultats des expériences de laboratoire et notre modélisation mathématique, la pluie de diamants est une chose très réelle.
Paul M. Sutter est astrophysicien à SUNY Stony Brook et le Flatiron Institute, hôte de « Demandez à un astronaute » et « Radio spatiale » et auteur de « Comment mourir dans l’espace. »
Apprenez-en plus en écoutant le podcast « Ask A Spaceman », disponible sur iTunes et askaspaceman.com. Posez votre propre question sur Twitter en utilisant #AskASpaceman ou en suivant Paul @PaulMattSutter et facebook.com/PaulMattSutter.
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