La formation de la Terre et des superterres reconstituée au laser

Un puissant laser peut générer des pressions élevées sur un matériau jusqu’à permettre de simuler les conditions régnant au centre de la Terre et même de planètes rocheuses plus grosses. Ces expériences ouvrent l’accès à l’étude de leur formation par collisions de corps célestes.

L’une des tâches de la cosmogonie est de fournir des modèles de la formation des planètes du Système solaire, et plus généralement maintenant, des exoplanètes. Il ne s’agit pas seulement de résoudre des problèmes de mécanique céleste, mais aussi de cosmochimie. On peut les aborder en étudiant la minéralogie des roches du manteau de la Terre et en la comparant à celle des météorites. Cela fait donc intervenir des expériences sur le comportement des minéraux des roches à hautes pressions et hautes températures. Il y a essentiellement deux raisons à cela. La plus évidente est que plus on s’enfonce à l’intérieur de la Terre, plus la température et la pression augmentent. La seconde est que des conditions physiques extrêmes se sont également produites lors du processus d’accrétion de la Terre.

En effet, au tout début de l’Hadéen, qui a commencé il y a environ 4,56 milliards d’années, notre Planète s’est formée grâce à des collisions et captures de corps célestes dont certains dépassaient la centaine de kilomètres de diamètre. Devenant de plus en plus massive, son attraction a augmenté, donnant lieu à des chocs de plus en plus violents, libérant de la chaleur capable de faire fondre les roches. On pense d’ailleurs que le bombardement a converti tellement d’énergie potentielle gravitationnelle en énergie thermique, qu’un océan de magma profond de plusieurs centaines de kilomètres, et peut-être mille, a existé à la surface de la Terre. Des processus similaires ont dû survenir pour la naissance d’exoterres et même de superterres comme Corot 7b.

Terre Hadéen

Une vision d’artiste de la jeune Terre au début de l’Hadéen. Le bombardement météoritique était encore violent et certaines régions étaient couvertes de magma. De nombreuses réactions chimiques entre les roches à hautes températures et hautes pressions allaient conduire à la différentiation de la Planète avec un noyau, un manteau et une croûte. (Source : F. Sulehria)

Afin de comprendre le processus d’accrétion à l’origine des planètes rocheuses et ses conséquences sur leur structuration, un groupe de chercheurs japonais des universités d’Hiroshima, Tokyo, Osaka et Ehime a essayé de reconstituer les processus physico-chimiques engendrés par les impacts des petits corps célestes. Pour cela, comme ils l’expliquent dans un article publié dans Science, les géophysiciens et les ingénieurs ont provoqué la fusion et la compression d’un minéral appelé forstérite à l’aide du laser Gekko XII, utilisé notamment dans des expériences de fusion contrôlée inertielle.

Sous forme de péridot, une variété d’olivine présente dans une roche appelée péridotite, la forstérite (de formule Mg2SiO4) est un des composants majeurs des roches du manteau. On en retrouve dans les météorites, la poussière cométaire ramenée sur Terre par la sonde Stardust et même dans les disques protoplanétaires entourant de jeunes étoiles comme l’a montré Spitzer. C’est donc bien un minéral important pour comprendre la genèse des planètes.

Forstérite laser

Un échantillon de forstérite coincé entre de l’aluminium (Al) et du quartz (Qz) a été bombardé par des impulsions lasers afin d’y générer des ondes de choc et de simuler les collisions entre la proto-Terre et des planétésimaux. Le laser Gekko XII que l’on voit sur la photo de droite a été utilisé pour cela à l’université d’Osaka. (Source : Univesité d’Hiroshima)

Les ondes de choc provoquées par l’impact d’un faisceau laser intense sur des échantillons de forstérite ont permis de leur faire subir des pressions comprises entre 250 et 970 Giga Pascals (GPa) alors que les expériences précédentes ne permettaient que d’atteindre 200 GPa (pour mémoire, la pression au centre la Terre est estimée à 360 GPa).

L’un des résultats des expériences avec la fusion de la forstérite sous l’effet de l’impact de planétésimaux et que le liquide obtenu à base d’oxyde de magnésium a pu s’enfoncer jusqu’au noyau où le magnésium aurait fini par s’incorporer à l’alliage de fer et de nickel. Un noyau contenant environ un pour cent de magnésium et se refroidissant aurait provoqué la précipitation de roches contenant du magnésium à l’interface avec le manteau. Certains chercheurs ont avancé que c’est ce processus qui aurait libéré suffisamment de chaleur pour entretenir la géodynamo et le champ magnétique de la Terre avant que le relai ne soit pris par la solidification de la graine.

Source : Futura-Sciences

Vous pouvez consulter, sur le site d’Archipel des Sciences, l’exposition « La machine Terre« .

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