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

Nous savons que la Terre possède un noyau de fer entouré d'un manteau de silicates et d'eau (océans) à sa surface. La science a utilisé ce modèle simple de planète jusqu'à aujourd'hui pour étudier les exoplanètes, c'est-à-dire les planètes en orbite autour d'une autre étoile en dehors de notre système solaire. «Ce n'est qu'au cours des dernières années que nous avons commencé à réaliser que les planètes sont plus complexes que nous le pensions», explique Caroline Dorn, professeure d'exoplanètes à l'ETH Zurich.

La plupart des exoplanètes connues aujourd'hui sont situées à proximité de leur étoile. Cela signifie qu'elles sont principalement constituées de mondes chauds composés d'océans de magma en fusion qui n'ont pas encore été refroidis pour former un manteau solide de silicates comme la Terre. L'eau se dissout très bien dans ces océans de magma, contrairement, par exemple, au dioxyde de carbone, qui dégaze rapidement et s'élève dans l'atmosphère.

Le noyau de fer est situé sous le manteau de silicates en fusion. Comment l'eau se répartit-elle donc entre les silicates et le fer ? C'est précisément ce que Caroline Dorn a étudié en collaboration avec Haiyang Luo et Jie Deng de l'Université de Princeton, à l'aide de modèles de calcul basés sur les lois fondamentales de la physique. Les scientifiques présentent leurs résultats dans la revue Nature Astronomy.

Soupe de magma avec de l'eau et du fer

Pour expliquer les résultats, Caroline Dorn doit entrer dans les détails : «Le noyau de fer prend du temps à se développer. Une grande partie du fer est initialement contenue dans la soupe magmatique chaude sous forme de gouttelettes». L'eau séquestrée dans cette soupe se combine à ces gouttelettes de fer et coule avec elles vers le noyau. «Les gouttelettes de fer se comportent comme un ascenseur qui est transporté vers le bas par l'eau», explique Caroline Dorn.

Jusqu'à présent, ce comportement n'était connu que pour des pressions modérées, du type de celles qui règnent sur Terre. On ne savait pas ce qui se passait dans le cas de planètes plus grandes dont l'intérieur est soumis à des pressions plus élevées. «C'est l'un des principaux résultats de notre étude», explique Caroline Dorn. «Plus la planète est grande et plus sa masse est importante, plus l'eau a tendance à aller avec les gouttelettes de fer et à s'intégrer dans le noyau. Dans certaines circonstances, le fer peut absorber jusqu'à 70 fois plus d'eau que les silicates. Toutefois, en raison de l'énorme pression qui règne dans le noyau, l'eau ne prend plus la forme de molécules H₂O, mais est présente sous forme d'hydrogène et d'oxygène.

De grandes quantités d'eau se trouvent également à l'intérieur de la Terre

Cette étude a été déclenchée par les 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 fraction de l'eau totale de notre planète. Le contenu de plus de 80 océans terrestres pourrait être caché dans les entrailles de la Terre.  C'est ce que montrent des simulations calculant le comportement de l'eau dans des conditions telles que celles qui prévalaient lorsque la Terre était jeune. Les expériences et les mesures sismologiques sont donc compatibles.

Les nouvelles découvertes concernant la distribution de l'eau dans les planètes ont des conséquences dramatiques pour l'interprétation des données d'observation astronomique. Grâce à leurs télescopes dans l'espace et sur Terre, les astronomes peuvent, sous certaines conditions, mesurer le poids et la taille d'une exoplanète. À partir de ces calculs, ils et elles établissent des diagrammes masse-rayon qui permettent de tirer des conclusions sur la composition de la planète. Si, comme c'est le cas jusqu'à présent, on ne tient pas compte de la solubilité et de la distribution de l'eau, le volume d'eau peut être considérablement sous-estimé, jusqu'à dix fois. «Les planètes sont beaucoup plus riches en eau qu'on ne le pensait jusqu'à présent», affirme Caroline Dorn.

Comprendre l'histoire de l'évolution

La répartition de l'eau est également importante si nous voulons comprendre comment les planètes se forment et se développent. L'eau qui s'est enfoncée dans le noyau y reste piégée pour toujours. En revanche, l'eau dissoute dans l'océan magmatique du manteau peut dégazer et remonter à la surface lors du refroidissement du manteau. «Ainsi, si nous trouvons de l'eau dans l'atmosphère d'une planète, il y en a probablement beaucoup plus à l'intérieur», explique Caroline Dorn.

C'est ce que cherche à découvrir le télescope spatial James Webb, qui envoie depuis deux ans des données de l'espace vers la Terre. Il est capable de traquer les molécules dans l'atmosphère des exoplanètes. «Seule la composition de la haute atmosphère des exoplanètes peut être mesurée directement», explique la scientifique. «Notre groupe souhaite faire le lien entre l'atmosphère et les profondeurs internes des corps célestes.»

Les nouvelles données concernant l'exoplanète TOI-270d sont particulièrement intéressantes. «Des preuves de l'existence réelle de telles interactions entre l'océan de magma à l'intérieur de la planète et l'atmosphère y ont été recueillies», explique Caroline Dorn, qui a participé à la publication correspondante sur TOI-270d. La planète K2-18b, qui a fait la une des journaux en raison de la probabilité qu'elle abrite de la vie, figure également sur sa liste d'objets intéressants qu'elle souhaite examiner de plus près.

Les mondes aquatiques sont-ils finalement propices à la vie ?

L'eau est l'une des conditions préalables au développement de la vie. On a longtemps spéculé sur l'habitabilité potentielle des super-Terres abondantes en eau, c'est-à-dire des planètes dont la masse est plusieurs fois supérieure à celle de la Terre et dont la surface est recouverte d'un océan profond et global. Les calculs ont ensuite suggéré qu'une trop grande quantité d'eau pouvait être hostile à la vie. L'argument était que dans ces mondes aquatiques, une couche de glace exotique à haute pression empêcherait l'échange de substances vitales à l'interface entre l'océan et le manteau de la planète.

La nouvelle étude parvient à une conclusion différente : les planètes dotées de couches d'eau profondes sont probablement rares, car la majeure partie de l'eau des super-terres n'est pas située à la surface, comme on le supposait jusqu'à présent, mais est piégée dans le noyau. Cela amène les scientifiques à supposer que même les planètes ayant une teneur en eau relativement élevée pourraient avoir le potentiel de développer des conditions d'habitabilité semblables à celles de la Terre. Comme le concluent Caroline Dorn et ses collègues, leur étude jette un nouvel éclairage sur l'existence potentielle de mondes riches en eau qui pourraient abriter la vie.