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Selon une nouvelle étude, une couche de diamants d’une épaisseur allant jusqu’à 18 kilomètres pourrait se trouver sous la surface de Mercure, la plus petite planète du système solaire et la plus proche du soleil.
Les diamants pourraient s’être formés peu après que Mercure elle-même se soit transformée en planète il y a environ 4,5 milliards d’années à partir d’un nuage tourbillonnant de poussière et de gaz, dans le creuset d’un environnement à haute pression et haute température. On pense qu’à cette époque, la jeune planète était recouverte d’une croûte de graphite, flottant au-dessus d’un profond océan de magma.
Une équipe de chercheurs a recréé cet environnement brûlant dans une expérience, avec une machine appelée presse à enclume qui est normalement utilisée pour étudier le comportement des matériaux sous une pression extrême mais aussi pour la production de diamants synthétiques.
« C’est une presse énorme, qui nous permet de soumettre de minuscules échantillons à la même haute pression et à la même haute température que celles auxquelles on s’attendrait au plus profond du manteau de Mercure, à la frontière entre le manteau et le noyau », a déclaré Bernard Charlier, chef du département de géologie de l’Université de Liège en Belgique et co-auteur d’une étude rapportant les résultats.
L’équipe a inséré un mélange synthétique d’éléments, dont du silicium, du titane, du magnésium et de l’aluminium, à l’intérieur d’une capsule en graphite, reproduisant ainsi la composition théorique de l’intérieur de Mercure à ses débuts. Les chercheurs ont ensuite soumis la capsule à des pressions près de 70 000 fois supérieures à celles observées à la surface de la Terre et à des températures allant jusqu’à 2 000 degrés Celsius (3 630 degrés Fahrenheit), reproduisant ainsi les conditions probablement observées près du noyau de Mercure il y a des milliards d’années.
Après la fusion de l’échantillon, les scientifiques ont observé les changements dans la chimie et les minéraux au microscope électronique et ont remarqué que le graphite s’était transformé en cristaux de diamant.
Ce mécanisme, affirment les chercheurs, peut non seulement nous donner plus d’informations sur les secrets cachés sous la surface de Mercure, mais aussi sur l’évolution planétaire et la structure interne des exoplanètes aux caractéristiques similaires.
Le mystérieux Mercure
Mercure est la deuxième planète la plus dense après la Terre. Son gros noyau métallique occupe 85 % du rayon de Mercure et c’est aussi la planète tellurique la moins explorée du système solaire. La dernière mission à avoir été menée à bien, la mission MESSENGER de la NASA, a tourné autour de la planète entre mars 2011 et avril 2015. Également connue sous le nom de mission Mercury Surface, Space Environment, Geochemistry and Ranging, elle a recueilli des données sur la géologie, la chimie et le champ magnétique de la planète, avant que le vaisseau spatial ne tombe en panne de carburant et n’entre en collision avec la surface.
« Nous savons qu’il y a beaucoup de carbone sous forme de graphite à la surface de Mercure, mais il existe très peu d’études sur l’intérieur de la planète », a déclaré Yanhao Lin, scientifique au Centre de recherche avancée sur les sciences et technologies à haute pression à Pékin et co-auteur de l’étude, parue en juin dans la revue Nature Communications.
« Comparé à la Lune ou à Mars, nous savons très peu de choses sur Mercure, notamment parce que nous n’avons pas d’échantillons de la surface de la planète », a expliqué M. Charlier. Mercure est différent de toutes les autres planètes telluriques, a-t-il ajouté, car il est très proche du Soleil et contient donc une très faible quantité d’oxygène, ce qui affecte sa chimie.
L’une des découvertes de MESSENGER est que Mercure est riche en carbone et que sa surface est grise en raison de la présence généralisée de graphite, une forme de carbone. Les diamants sont également constitués de carbone pur, formé dans des conditions de pression et de température spécifiques. Les chercheurs voulaient voir si ce processus avait pu se produire lors de la formation de la planète.
Lorsque Lin, Charlier et leurs collègues préparaient l’expérience visant à imiter l’intérieur de Mercure peu après la formation de la planète, un élément crucial était de savoir que le soufre est également présent sur Mercure, comme l’avaient montré des études précédentes. « Nous avons découvert que les conditions sont différentes de celles de la Terre car il y a beaucoup de soufre sur Mercure, ce qui a diminué le point de fusion de notre échantillon », a déclaré Charlier.
« Il a complètement fondu à une température plus basse que dans un système sans soufre, ce qui est bon pour la stabilité du diamant, car le diamant aime les hautes pressions mais les basses températures. Et c’est principalement ce que nous disent nos expériences : l’océan de magma de Mercure est plus froid que prévu, et aussi plus profond, comme nous le savons grâce à la réinterprétation des mesures géophysiques », a-t-il ajouté, se référant également aux données de MESSENGER.
Ces deux facteurs, selon l’étude, sont ce qui rend possible la formation des diamants.
Des diamants à la surface ?
Charlier prévient que l’épaisseur de la couche de diamant, entre 15 et 18 kilomètres (9,3 et 11,1 miles), n’est qu’une estimation, et qu’elle pourrait changer car le processus de formation des diamants est toujours en cours alors que le noyau de Mercure continue de refroidir.
Il est également impossible de déterminer la taille des diamants individuels. « Nous n’avons aucune idée de leur taille, mais un diamant est composé uniquement de carbone, donc leur composition devrait être similaire à celle que nous connaissons sur Terre. Ils ressembleraient à des diamants purs », a-t-il déclaré.
Les diamants pourraient-ils être extraits ? Selon Charlier, cela serait impossible, même avec des technologies futures plus avancées, car ils se trouvent à une profondeur d’environ 500 kilomètres. « Cependant, certaines laves à la surface de Mercure se sont formées par la fusion du manteau très profond. Il est raisonnable de considérer que ce processus est capable de faire remonter certains diamants à la surface, par analogie avec ce qui se passe sur Terre », a-t-il déclaré.
Ce processus de formation de diamants pourrait se produire sur certaines des exoplanètes que nous découvrons dans notre galaxie, a expliqué Charlier, si leur composition chimique est également pauvre en oxygène comme Mercure. « Si une exoplanète est plus petite que Mercure, la limite noyau-manteau serait trop faible et la pression serait trop faible, empêchant la formation de diamants », a-t-il déclaré. « Mais une taille entre Mercure et la Terre, combinée à une faible teneur en oxygène, sont des conditions favorables à l’obtention de diamants. »
Les scientifiques pourraient bientôt en savoir plus. Une mission baptisée BepiColombo, composée de deux sondes lancées en octobre 2018, devrait s’insérer dans l’orbite de Mercure en décembre 2025 après avoir effectué une série de survols. La mission, dirigée par l’Agence spatiale européenne et l’Agence d’exploration aérospatiale japonaise, étudiera la planète depuis l’orbite et en révélera beaucoup plus sur son intérieur et ses caractéristiques.
La collaboration porte le nom du scientifique italien Giuseppe « Bepi » Colombo, qui a inventé la manœuvre « d’assistance gravitationnelle » couramment utilisée pour envoyer des sondes vers d’autres planètes.
« BepiColombo permettra peut-être d’identifier et de quantifier le carbone à la surface, mais aussi de savoir s’il y a du diamant à la surface ou plus de graphite », a déclaré Charlier. « Cela n’était pas possible avec MESSENGER, et les mesures seront également plus précises, ce qui nous donnera de meilleures estimations de la profondeur de la frontière noyau-manteau. Nous pourrons à nouveau tester notre hypothèse. »
Une étape importante en avant
Sean Solomon, chercheur principal de la mission MESSENGER de la NASA vers Mercure et chercheur principal adjoint à l’Université Columbia de New York, a déclaré que cela présentait « une idée intéressante », mais qu’il serait difficile pour les futures missions vers Mercure de pouvoir la confirmer. « Toute couche de diamant de ce type est profonde et relativement fine », a-t-il déclaré dans un courriel. Solomon n’a pas participé à l’étude.
« La technique la plus prometteuse est probablement la sismologie, car la vitesse des ondes sismiques dans le diamant est bien plus élevée que dans les roches du manteau ou dans les matériaux du noyau, mais les mesures sismiques nécessiteraient un ou plusieurs atterrisseurs à longue durée de vie à la surface de Mercure », a déclaré Solomon. BepiColombo, la seule mission actuellement prévue pour atteindre Mercure, disposait à l’origine d’un atterrisseur, mais celui-ci a été annulé en raison de contraintes budgétaires.
Felipe González, physicien théoricien au département des sciences de la Terre et des planètes de l’Université de Californie à Berkeley, qui n’a pas non plus participé aux travaux, a déclaré que l’étude représentait une avancée importante dans notre compréhension de l’intérieur des planètes et de la façon dont elles se forment et évoluent. Il pense également que des études interdisciplinaires comme celle-ci détiennent la clé pour résoudre les problèmes complexes auxquels nous sommes confrontés dans la science aujourd’hui.
Le mécanisme proposé par lequel cette couche de diamant se forme est plausible, a ajouté González, mais il dépend encore largement de nos hypothèses sur l’intérieur de Mercure. « Bien que de très bonnes contraintes aient été placées au fil des ans à mesure que nous étudions cette planète plus en profondeur, nous ne pouvons qu’approximer sa composition dans nos modèles et nos expériences à partir de mesures indirectes », a-t-il déclaré par courrier électronique.
« Cette étude représente néanmoins le meilleur que nous puissions faire avec les moyens dont nous disposons actuellement », a déclaré González. « Seules de futures missions vers la planète Mercure nous diront si ces prédictions étaient correctes. Pour l’instant, nous pouvons nous concentrer sur l’amélioration de notre compréhension des matériaux dans ces conditions extrêmes en effectuant davantage de simulations et d’expériences de meilleure qualité dans nos laboratoires. »
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