Une couche de diamant de 18 km d'épaisseur pourrait exister à la frontière entre le noyau et le manteau de Mercure !
Les scientifiques ont modélisé les couches de Mercure et ont découvert que la limite entre le noyau et le manteau inclurait une couche de diamant, pouvant atteindre 18 kilomètres d'épaisseur, à l'intérieur de la planète.
Une étude récente publiée dans Nature Communications par des scientifiques chinois et belges suggère que la limite noyau-manteau (CMB) de Mercure comprend une couche de diamant, pouvant atteindre 18 kilomètres d'épaisseur, à l'intérieur de la planète.
Mercure : une planète riche en carbone
Mercure, la planète la plus petite et la plus intérieure de notre système solaire, a longtemps intrigué les scientifiques en raison de sa surface remarquablement sombre et de la densité élevée de son noyau. Des missions antérieures, telles que la sonde spatiale MESSENGER de la NASA, avaient révélé que la surface de Mercure contenait des quantités importantes de graphite, une forme de carbone. Cela a conduit les chercheurs à penser qu'au début de l'histoire de la planète, il y avait un océan magmatique riche en carbone.
Phys.org s'est entretenu avec l'un des coauteurs de l'étude, le Dr Yanhao Lin, du Beijing Advanced Research Center for High Pressure Science and Technology.
"Il y a de nombreuses années, j'ai réalisé que la teneur extrêmement élevée en carbone de Mercure pouvait avoir des implications importantes. Cela m'a fait comprendre qu'il se passait probablement quelque chose de spécial à l'intérieur de la planète", a déclaré le Dr Lin.
Les informations les plus détaillées sur Mercure proviennent des missions MESSENGER et Mariner 10 de la NASA.
Les précédentes observations de la sonde MESSENGER avaient révélé que la surface de Mercure était exceptionnellement sombre en raison de la présence généralisée de graphite.
Cela suggère que Mercure a eu un jour une couche superficielle en fusion ou un océan magmatique qui contenait une quantité importante de carbone.
Au fil du temps, lorsque la planète s'est refroidie et solidifiée, ce carbone a formé une croûte de graphite à la surface.
Cependant, les chercheurs remettent en question l'hypothèse selon laquelle le graphite était la seule phase stable contenant du carbone lors de la cristallisation de l'océan magmatique de Mercure, c'est-à-dire lorsque le manteau de la planète (couche intermédiaire) se refroidit et se solidifie.
Les premières hypothèses concernant la croûte de graphite étaient basées sur des prédictions de températures et de pressions plus basses dans le CMB. Mais des études plus récentes suggèrent que le CMB est plus profond qu'on ne le pensait, ce qui a conduit les chercheurs à réévaluer la croûte de graphite.
En outre, une autre étude a également suggéré la présence de soufre dans le noyau de fer de Mercure. La présence de soufre pourrait avoir un effet sur la cristallisation de l'océan magmatique de Mercure, ce qui remet en question l'affirmation initiale selon laquelle seul le graphite était présent durant cette phase.
Modélisation des conditions à l'intérieur de Mercure
Pour recréer les conditions à l'intérieur de Mercure, les chercheurs ont utilisé une combinaison d'expériences à haute pression et à haute température, ainsi qu'une modélisation thermodynamique.
"Nous avons utilisé la presse à grand volume pour reproduire les conditions de haute température et de haute pression de la limite entre le noyau et le manteau de Mercure et les avons combinées avec des modèles géophysiques et des calculs thermodynamiques", a expliqué le Dr Lin.
Ils ont utilisé du silicate synthétique comme matériau de départ pour imiter la composition du manteau de Mercure. Il s'agit d'une méthode couramment utilisée pour étudier l'intérieur des planètes.
Les chercheurs ont atteint des niveaux de pression allant jusqu'à 7 Giga Pascals (GPa), soit environ sept fois la pression observée dans les parties les plus profondes de la fosse des Mariannes.
Dans ces conditions, l'équipe a étudié comment les minéraux (ceux que l'on trouve à l'intérieur de Mercure) fondent et atteignent des phases d'équilibre et ont caractérisé ces phases, en se concentrant sur celles du graphite et du diamant.
Ils ont également utilisé des modèles géophysiques pour étudier les données observées sur l'intérieur de Mercure.
"Les modèles géophysiques proviennent principalement des données collectées par les engins spatiaux et nous indiquent les structures fondamentales de l'intérieur d'une planète", explique le Dr Lin.
Des couches de diamant se forment sous haute pression
En intégrant les données expérimentales aux simulations géophysiques, les chercheurs ont pu estimer la pression du CMB de Mercure à environ 5 575 GPa.
Avec une teneur en soufre d'environ 11 %, les chercheurs ont observé un changement de température significatif de 358 kelvins dans l'océan magmatique de Mercure. Les chercheurs proposent que, bien que le graphite ait probablement été la phase de carbone dominante pendant la cristallisation de l'océan magmatique, la cristallisation du noyau a conduit à la formation d'une couche de diamant dans le CMB.
"Le soufre réduit le liquide dans l'océan magmatique de Mercure. Si du diamant se forme dans l'océan magmatique, il peut couler au fond et se déposer dans le CMB. D'autre part, le soufre favorise également la formation d'une couche de sulfure de fer dans le CMB, qui est liée à la teneur en carbone pendant la différenciation planétaire", a expliqué le Dr Lin.
La différenciation planétaire désigne le processus par lequel une planète est structurée de manière interne, c'est-à-dire le centre ou noyau, vers lequel les minéraux plus lourds descendent, et la surface ou croûte, vers laquelle les minéraux plus légers s'élèvent.
D'après leurs conclusions, la couche de diamant dans le CMB est estimée à 15-18 kilomètres d'épaisseur. Ils suggèrent également que la température actuelle du CMB de Mercure est proche du point où le graphite peut se transformer en diamant, ce qui stabilise la température du CMB.
Systèmes exoplanétaires riches en carbone
L'une des implications de ces découvertes concerne le champ magnétique de Mercure, qui est anormalement fort pour sa taille.
Le Dr Lin explique : "Le carbone dans le noyau fondu sursature en se refroidissant, formant des diamants et flottant vers le CMB. La conductivité thermique élevée du diamant permet de transférer efficacement la chaleur du noyau au manteau, ce qui entraîne une stratification de la température et des changements de convection dans le noyau externe liquide de Mercure, affectant la génération de son champ magnétique.
En d'autres termes, le transfert de chaleur du noyau vers le manteau influence les gradients de température et la convection dans le noyau externe liquide de Mercure, ce qui influe sur la formation de son champ magnétique.
Le Dr Lin a également souligné le rôle crucial que joue le carbone dans la formation des systèmes exoplanétaires riches en carbone.
"Cela pourrait également être utile pour comprendre d'autres planètes terrestres, en particulier celles dont la taille et la composition sont similaires. Les processus qui ont conduit à la formation d'une couche de diamant sur Mercure pourraient également s'être produits sur d'autres planètes, laissant potentiellement des traces similaires", a conclu le Dr Lin.
Référence de l'article :
Yongjiang Xu et al, A diamond-bearing core-mantle bound on Mercury, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49305-x .