Cristallisation des noyaux des planètes telluriques et des planétésimaux – CrysCore

Un certain nombre de planètes et satellites possèdent un noyau de fer dans le système solaire. Liquide immédiatement après la différentiation, ce noyau va inéluctablement cristalliser du fait du refroidissement séculaire. La cristallisation dépend fortement de la taille de la planète qui dicte le niveau de gravité, la pression hydrostatique et la courbe de Clapeyron de la température de fusion. Selon la distribution de température, le noyau commence à cristalliser par la frontière noyau-manteau ou par le centre (cas de la graine de la Terre). Notre connaissance de la graine est fondée sur la sismologie et nous savons peu de chose des autres noyaux planétaire concernant leur cristallisation. Les météorites ferreuses nous permettent toutefois d'aborder l'étude de la cristallisation de leurs corps parents. Notre projet est d'étudier la cristallisation des noyaux planétaires en réalisant des expériences en laboratoire sur des matériaux analogues. Les dimensions planétaires étant inabordables, nous allons compenser avec des fortes valeurs de gravité pour aborder les processus physiques en jeu lors de la cristallisation des noyaux. Pour ce faire, nous proposons de construire un dispositif de cristallisation dans une centrifugeuse rapide. Trois processus seront étudiés: la compaction de la zone dendritique, le régime de neige de la cristallisation et les conditions d'existence d'un gradient adiabatique dans les noyaux liquides. La compaction entre probablement en jeu dans le cas de la graine terrestre où la cristallisation développe une zone dendritique. Les dendrites baignent dans un liquide moins dense et vont s'écrouler sous leur propre poids à partir d'une profondeur qui dépend de la viscosité solide effective. Ce phénomène de compaction a des conséquences géophysiques multiples : le coefficient de partage effectif des éléments légers dépend du degré de compaction (et avec lui, l'intensité du forçage de la géodynamo convective). De même, la fraction de liquide résiduelle après la compaction conditionne l'atténuation des ondes sismiques dans la graine. Le régime de neige de la cristallisation concerne principalement les petites planètes où la pente de la courbe de Clapeyron est plus faible que le gradient adiabatique. La cristallisation est initiée à la frontière noyau-manteau mais les grains solides, plus denses, migrent vers le centre où ils s'accumulent pour former une graine. Dans leur déplacement, les grains fondent progressivement, l'entropie n'est plus uniforme et un régime de convection totalement nouveau apparaît (différent du gradient adiabatique). Enfin, l'existence d'un gradient adiabatique peut entrer en compétition avec un régime thermique stabilisant : si le flux de chaleur sortant du noyau est sous-adiabatique, la convection solutale peut-elle maintenir un régime adiabatique dans tout le noyau ? Pour étudier les phénomènes ci-dessus dans une expérience de quelques centimètres, il faut travailler sous des niveaux de gravité 10000 fois plus grands que la gravité sur Terre. Ces niveaux sont accessibles dans une centrifugeuse de laboratoire à 20000 tour/min et dans un rotor de rayon 9 cm. Des solidifications d'alliages à base d'eau, de camphène et de gallium seront réalisées. Des mesures de températures seront effectuées et des ultrasons permettront de mesurer l'anisotropie acoustique, de déterminer la position de l'interface et de quantifier la diffusion dans la zone dendritique. Les signaux seront amplifiés in situ et transmis par un collecteur électrique tournant. Un alliage à base de camphène sera solidifié en refroidissant par l'extérieur, ce qui conduira à une zone dendritique qui pourra être compactée. Ce phénomène sera visible sur l'écho d'une onde ultrasonore réfléchie sur l'interface, en fonction du niveau de gravité. Le régime de neige pourra être observé en refroidissant un alliage à base d'eau ou de Gallium par l'extérieur. Ces matériaux anormaux ont une phase solide moins dense que la phase liquid