Il y a près de cinq milliards d'années, les planètes gazeuses géantes Jupiter et Saturne se sont formées, apparemment de manières radicalement différentes.
C'est ce qu’affirme un scientifique du Los Alamos National Laboratory de l’Université de Californie, qui a créé des modèles informatiques exhaustifs basés sur des expériences au cours desquelles l’élément hydrogène a été soumis à des pressions presque aussi fortes que celles trouvées à l’intérieur des deux planètes.
En collaboration avec un collègue français, Didier Saumon, de la division de physique appliquée de Los Alamos, a créé des modèles établissant que les éléments lourds sont concentrés dans le noyau massif de Saturne, tandis que ces mêmes éléments sont mélangés dans Jupiter, avec très peu ou pas de noyau central. L'étude, publiée dans le Astrophysical Journal de cette semaine, a montré que les éléments réfractaires tels que le fer, le silicium, le carbone, l'azote et l'oxygène sont concentrés dans le noyau de Saturne, mais sont diffusés dans Jupiter, ce qui conduit à l'hypothèse qu'ils ont été formés par différents processus.
Saumon a collecté des données de plusieurs expériences récentes de compression de choc qui ont montré comment l'hydrogène se comporte à des pressions un million de fois supérieures à la pression atmosphérique, se rapprochant de celles présentes dans les géantes gazeuses. Ces expériences - réalisées au cours des dernières années dans des laboratoires nationaux américains et en Russie - ont pour la première fois permis des mesures précises de la soi-disant équation d'état de fluides simples, tels que l'hydrogène, au sein de la haute pression et de la haute densité royaume où l'ionisation se produit pour le deutérium, l'isotope constitué d'un atome d'hydrogène avec un neutron supplémentaire.
En collaboration avec T. Guillot de l'Observatoire de la Côte d'Azur, France, Saumon a développé environ 50000 modèles différents des structures internes des deux planètes gazeuses géantes qui comprenaient toutes les variations possibles permises par les observations astrophysiques et les expériences de laboratoire.
"Certaines données de sondes planétaires antérieures nous ont donné des informations indirectes sur ce qui se passe à l'intérieur de Saturne et de Jupiter, et maintenant nous espérons en apprendre davantage sur la mission Cassini qui vient d'arriver sur l'orbite de Saturne", a déclaré Saumon. "Nous avons sélectionné uniquement les modèles informatiques qui correspondent aux observations planétaires."
Jupiter, Saturne et les autres planètes géantes sont constituées de gaz, comme le soleil: elles sont composées d'environ 70% d'hydrogène en masse, le reste étant principalement de l'hélium et de petites quantités d'éléments plus lourds. Par conséquent, leurs structures intérieures étaient difficiles à calculer car l'équation d'état de l'hydrogène à haute pression n'était pas bien comprise.
Saumon et Guillot ont contraint leurs modèles informatiques avec les données des expériences sur le deutérium, réduisant ainsi les incertitudes précédentes pour l'équation de l'état de l'hydrogène, qui est l'ingrédient central nécessaire pour améliorer les modèles des structures des planètes et leur formation.
"Nous avons essayé d'inclure toutes les variations possibles qui pourraient être autorisées par les données expérimentales sur la compression de choc du deutérium", a expliqué Saumon.
En estimant la quantité totale des éléments lourds et leur distribution à l'intérieur de Jupiter et de Saturne, les modèles fournissent une meilleure image de la façon dont les planètes se sont formées par accrétion d'hydrogène, d'hélium et d'éléments solides de la nébuleuse qui a tourbillonné autour du soleil il y a des milliards d'années .
"Il a été généralement convenu que les noyaux de Saturne et de Jupiter sont différents", a déclaré Saumon. "Ce qui est nouveau ici, c'est à quel point ces modèles sont exhaustifs. Nous avons réussi à éliminer ou à quantifier bon nombre des incertitudes, nous avons donc une bien meilleure confiance dans la plage dans laquelle les données réelles se situeront pour l'hydrogène, et donc pour les métaux réfractaires et d'autres éléments.
"Bien que nous ne pouvons pas dire que nos modèles sont précis, nous savons très bien à quel point ils sont imprécis", a-t-il ajouté.
Ces résultats des modèles aideront à guider les mesures à prendre par Cassini et les futures sondes spatiales interplanétaires proposées à Jupiter.
Los Alamos National Laboratory est exploité par l'Université de Californie pour la National Nuclear Security Administration (NNSA) du Département américain de l'énergie et travaille en partenariat avec les laboratoires nationaux Sandia et Lawrence Livermore de la NNSA pour soutenir la NNSA dans sa mission.
Los Alamos développe et applique la science et la technologie pour assurer la sûreté et la fiabilité de la dissuasion nucléaire américaine; réduire la menace des armes de destruction massive, de prolifération et de terrorisme; et résoudre les problèmes nationaux dans les domaines de la défense, de l'énergie, de l'environnement et des infrastructures.
Source d'origine: communiqué de Los Alamos
