Les planètes contiennent plus d'eau qu'on ne le pense

On sait que la Terre possède un noyau de fer, un manteau de roches siliceuses et des masses d'eau contigu?s (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, professeure en exoplanètes à l'ETH Zurich.

La plupart des exoplanètes que l'on conna?t 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 en fusion se trouve le noyau de fer. Qu'en est-il 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 page externeNature Astronomy.

Soupe de magma avec de l'eau et du fer

Pour expliquer les 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 partie du 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 dans la Terre. Pour des planètes plus grandes avec des pressions internes plus élevées, 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. Mais sous l'effet de l'énorme pression dans le noyau, l'eau n'arrive alors plus sous forme de H₂O, mais sous forme d'hydrogène et d'oxygène.

De grandes quantités d'eau aussi 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 des conditions qui avaient prévalu sur la jeune Terre. Les expériences et les mesures sismologiques sont compatibles avec cela.

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 que ce que l'on pensait jusqu'à présent", explique Dorn.

Comprendre l'histoire du développement

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,L'instrument de mesure de la température de la Terre, qui envoie des données depuis l'espace vers la Terre depuis deux ans. Il est capable de 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 de la vie, figure également sur sa liste d'objets passionnants qu'elle souhaite étudier de plus près.

Les mondes aquatiques sont-ils quand même propices à la vie ?

L'eau est considérée comme l'une des conditions préalables au développement de la vie. On a longtemps spéculé sur l'habitabilité possible de super-Terres riches en eau, c'est-à-dire de 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, située 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 désormais 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 professeure en exoplanètes au Département de physique de l'ETH. Ses recherches s'inscrivent dans le cadre dupage externeP?le de recherche national (PRN) PlanetSet duCentre for Origin and Prevalence of Life (COPL)à l'ETH.