Planètes carbonées du système solaire externe – OSSO_BUCO
Des planètes et une chimie carbonées aux confins du système solaire
De nombreuses planètes naines glacées sont observées aux confins du système solaire par le James Webb Space Telescope, mettant en évidence une chimie variée du carbone à leur surface et dans leurs profondeurs. Nous établissons dans ce projet des modèles de composition globale et d'évolution thermique incluant le carbone comme composant majeur pour rendre compte de ces observations. Pour cela, les propriétés de la matière carbonée et ses interactions avec les minéraux sont caractérisées.
Growing evidence for carbonaceous matter as a major component of icy worlds of the outer solar system
Les lunes glacées et les planètes naines ont été témoins des premières étapes de l'évolution du système solaire externe. La mission Galileo autour de Jupiter et la mission Cassini autour de Saturne ont révélé une dynamique complexe et riche des lunes, avec des océans sous leurs surfaces glacées, ce qui en fait des candidates potentielles pour une activité prébiotique, un potentiel qui pourrait s'étendre aux planètes naines, au moins durant leur évolution précoce. Aux côtés de Pluton, archétype de cette catégorie, existent Éris, dont la masse est supérieure à celle de Pluton, Hauméa, de forme allongée, indiquant des intérieurs rocheux sous des couches externes de glace. Nous proposons ici d'étudier les conséquences des modèles de composition riches en carbone sur la structure et la dynamique des planètes naines et des petites lunes glacées. Les modèles antérieurs de l'intérieur des mondes glacés supposaient une enveloppe externe riche en eau (hydrosphère) et un intérieur composé de mélanges de silicates secs et de sulfures (SSC) avec un rapport Fe/Si variable, parfois séparés en un manteau silicaté et un noyau métallique interne. Les rapports Fe/Si résultants ne sont pas solaires et présentent de grandes variations, pour lesquels il n'existe actuellement aucune explication. Les modèles ont ensuite intégré des silicates hydratés comme composant probable du noyau, impliquant des processus d'altération aqueuse dans le passé et potentiellement encore actifs. Ces corps glacés devraient abriter des processus chimiques complexes impliquant des interactions entre l'eau, les composés organiques et les roches, avec des composés macromoléculaires complexes révélés par l'analyse des grains de glace éjectés d'Encelade, les tholins à la surface de Pluton, et les panaches riches en matière organique sur Triton. Les composés organiques endogènes et leur altération aqueuse potentielle partagent probablement des similitudes avec les composés organiques identifiés dans l'échantillon de Ryugu collecté par la mission JAXA Hayabusa2, et dans les chondrites carbonées ayant subi divers degrés d'altération aqueuse, avec des implications prébiotiques majeures. Nous avons récemment ajouté des composés carbonés réfractaires (COM) pour expliquer les noyaux de faible densité avec un rapport Fe/Si de type chondrite CI. Les modèles de composition capables d'expliquer un moment d'inertie réduit ne sont pas uniques : l'ajout d'un composant riche en carbone lève une contrainte qui est compensée en supposant que le composant silicate-sulfure avait une composition solaire (ou de chondrite CI). Notre estimation récente de la composition de sept corps montre une forte teneur en carbone, tandis que les anciens modèles supposaient un noyau réfractaire composé uniquement de SSC. Notre modèle illustre la possible composition chimique des planètes naines et des lunes se formant dans la nébuleuse solaire ou circumplanétaire, avec des lignes de "neige" et de "suie" distinctes.
Deux objectifs principaux sont identifiés :
1. Comment le composant carboné influence-t-il les propriétés physiques des noyaux réfractaires et la libération de volatils vers l'hydrosphère ?
La modélisation des profils de densité interne et de l'évolution thermique nécessite que les propriétés physiques des matériaux formant le manteau et le noyau soient déterminées. La principale source d'incertitude est la densité de la matière carbonée, qui peut varier de ~1300 kg/m³ pour les charbons de faible densité à 2300 kg/m³ pour le graphite cristallin. Une investigation systématique de la densité et de la composition des analogues de matière carbonée fournira des modèles de composition fiables pour les objets du système solaire externe. En plus des variations de composition et de densité, il existe une augmentation drastique de la conductivité thermique des charbons (analogues de la matière carbonée amorphe) au graphite polycristallin à haute température. La relation entre les transformations de la matière carbonée et la conductivité thermique sera également étudiée. Enfin, le changement compositionnel de la matière carbonée s'accompagne de la libération de volatils et d'hydrocarbures. Nous étudierons le transfert potentiel de ces espèces volatiles vers l'océan puis la surface du corps, où elles pourraient être identifiées par des observations spectroscopiques du JWST et par de futures missions in situ. Pour les silicates et les sulfures, les densités ainsi que les diffusivités thermiques sont bien connues, et les diagrammes de phase peuvent être prédits à partir de la thermodynamique.
2. Les modèles d'évolution thermique peuvent-ils contraindre les modèles compositionnels riches en carbone correspondant aux densités des lunes et des planètes naines ?
Nous explorerons également l'évolution de la matière organique carbonée (COM) pour des corps plus grands comme Pluton, Éris et Triton, où des pressions et températures plus élevées peuvent être atteintes. D'autres cibles sont Cérès et Encelade, dont la forme et les moments d'inertie réduits sont bien caractérisés grâce aux missions Dawn et Cassini, ainsi que Hauméa, avec sa forme allongée d'ellipsoïde de Jacobi, et Dione, Mimas, Rhéa, dont les moments d'inertie sont moins bien contraints. Ces corps, dont le rayon varie d'environ 200 km à plus de 700 km, offriront l'opportunité d'explorer le rôle de la matière organique à des pressions modérées allant jusqu'à quelques centaines de MPa.
Une gamme plausible de compositions, basée sur les corps les mieux caractérisés, sera utilisée pour modéliser la structure interne potentielle et l'évolution thermique des planètes naines et des lunes d'Uranus, en particulier le rôle de la COM dans l'existence d'océans passés ou présents et les conséquences possibles de l'altération aqueuse.
La teneur en carbone sera étudiée pour déterminer les concentrations requises afin de rendre compte des contraintes observationnelles actuelles et futures.
Un modèle cinétique d'évolution thermique de la composition et de la densité de la matière carbonée a été construit à partir de données expérimentales. C'est un aspect essentiel de la thèse de Camille Delarue (thèse financée sur allocation de l'ENS de Lyon). Le modèle a été présenté en congrès et un article avec application à l'évolution thermique et chimique de Titan est en cours d'évaluation.
Communications à congrès (source HAL)
hal-05177174v1, hal-05171391v1, hal-05171391v1, hal-05142830v1
Une analyse de la stabilité des phases minérales en présence des fluides relâchés par la matière carbonée au cours de l'évolution thermique est effectuée et couplée au modèle cinétique pour prédire la composition des planètes naines. C'est une partie du sujet de thèse de Giorgia Confortini, recrutée sur le projet ANR. Le modèle a été présenté en congrès et un article est préparation.
Communications à congrès (source HAL)
hal-05171436v1, hal-05177113v1
Un modèle de composition et de formation des lunes d'Uranus, prototypes de corps glacés de taille similaires aux planètes naines a été publié dans la revue Icarus.
Publication: hal-04868706v1
Les lunes et les planètes naines ont été témoins des premières étapes de la formation du système solaire externe. Les compositions classiques, un mélange silicate-sulfure de fer, sont incompatibles avec les faibles densités déduites pour le noyau rocheux (2400-2500 kg/m3) de Titan, Encelade, Dione et Cérès. Nous avons proposé que les compositions incluant le composant carbone fournissent un modèle viable pour les faibles densités des noyaux réfractaires. Les modèles indiquent des fractions de matière organique riche en carbone allant jusqu'à 25 % en poids (~40 % en volume) dans les noyaux réfractaires, ce qui donne des rapports C/Si et C/O proches de ceux du Soleil.
La formation de petites planètes riches en carbone est un scénario jusqu'ici inexploré. L'évolution métamorphique et thermique d'un noyau riche en carbone diffère de celle d'un noyau de silicate-sulfure. Il peut libérer des fluides riches en carbone dans les couches glacées externes et peut alimenter une activité prébiotique, une étape cruciale pour l'origine de la vie si des planètes naines comme Cérès ont été accrétées à la Terre dans le vernis tardif. Avec cette composante majeure riche en carbone, la structure actuelle des grands objets du système solaire externe est liée 1) à la composition par le biais des rapports C/Si (le rapport entre la matière carbonée et les silicates-sulfures dans le noyau) et C/O (avec l'oxygène provenant des silicates et de la glace dans le corps planétaire), et 2) à l'augmentation de la densité associée aux réactions se produisant à température croissante dans la matière carbonée. Nous proposons une approche expérimentale et géodynamique pour explorer la gamme de composition plausible et l'évolution thermique de ces corps riches en carbone, et proposer des observables permettant de définir les modèles les plus valides et définir les conditions de formation de ces corps dans la nébuleuse, entre lignes de "glace" et de "suie".
Coordination du projet
Bruno Reynard (Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenariat
LPG LABORATOIRE DE PLANETOLOGIE ET GEOSCIENCES
LGL-TPE Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement
Aide de l'ANR 518 625 euros
Début et durée du projet scientifique :
décembre 2023
- 48 Mois
