Les exoplanètes pourraient contenir plus d’eau qu’on ne le pensait

Nous savons que la Terre possède un noyau de fer entouré d’un manteau de roches silicatées et d’eau (océans) à sa surface. La science a utilisé ce modèle planétaire simple jusqu’à aujourd’hui pour étudier les exoplanètes, des planètes qui gravitent autour d’une autre étoile en dehors de notre système solaire.

« Ce n’est que ces 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. Elles sont donc constituées principalement d’océans de magma en fusion qui n’ont pas encore refroidi pour former un manteau solide de roches silicatées comme la Terre. L’eau se dissout très bien dans ces océans de magma, contrairement au dioxyde de carbone, par exemple, qui se dégaze rapidement et monte dans l’atmosphère.

Le noyau de fer se trouve sous le manteau fondu de silicates. Comment l’eau est-elle répartie entre les silicates et le fer ?

C’est précisément ce que Dorn a étudié en collaboration avec Haiyang Luo et Jie Deng de l’Université de Princeton à l’aide de calculs de modèles basés sur les lois fondamentales de la physique. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la revue Astronomie de la nature.

Soupe de magma avec de l’eau et du fer

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

Jusqu’à présent, ce comportement n’était connu que pour des pressions modérées, comme celles qui règnent également sur Terre. On ne savait pas ce qui se passait dans le cas de planètes plus grandes, où la pression intérieure était plus élevée.

« C’est l’un des résultats clés de notre étude », explique Dorn. « Plus la planète est grande et plus sa masse est importante, plus l’eau a tendance à suivre 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. Cependant, en raison de l’énorme pression qui règne au noyau, l’eau ne prend plus la forme d’H2O.₂“O molécules mais est présent dans l’hydrogène et l’oxygène.”

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

Cette étude a été lancée à la suite d’une étude sur la teneur en eau de la Terre, qui a donné un résultat surprenant il y a quatre ans : les océans de la surface terrestre ne contiennent qu’une petite fraction de l’eau totale de notre planète. Le contenu de plus de 80 océans de la Terre pourrait se cacher à l’intérieur de celle-ci. C’est ce que montrent des simulations calculant le comportement de l’eau dans des conditions similaires à celles qui prévalaient lorsque la Terre était jeune. Les expériences et les mesures sismologiques sont donc compatibles.

Les nouvelles découvertes sur la répartition de l’eau sur les planètes ont des conséquences dramatiques sur l’interprétation des données d’observation astronomique. Grâce à leurs télescopes dans l’espace et sur Terre, les astronomes peuvent, dans certaines conditions, mesurer le poids et la taille d’une exoplanète. À partir de ces calculs, ils établissent des diagrammes masse-rayon qui permettent de tirer des conclusions sur la composition de la planète. Si l’on néglige la solubilité et la répartition de l’eau, comme c’est le cas jusqu’à présent, 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 auparavant », explique Dorn.

Comprendre l’histoire de l’évolution

La répartition de l’eau est également importante si l’on veut comprendre la formation et le développement des planètes. L’eau qui a coulé dans le noyau y reste emprisonnée pour toujours. En revanche, l’eau dissoute dans l’océan de magma du manteau peut perdre du gaz et remonter à la surface lors du refroidissement du manteau.

« Si nous trouvons de l’eau dans l’atmosphère d’une planète, il y en a probablement beaucoup plus à l’intérieur », explique 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 présentes dans l’atmosphère des exoplanètes.

« Seule la composition de la haute atmosphère des exoplanètes peut être mesurée directement », explique le scientifique. « Notre groupe souhaite établir le lien entre l’atmosphère et les profondeurs des corps célestes. »

Les nouvelles données de l’exoplanète appelée TOI-270d sont particulièrement intéressantes.

« Des preuves ont été recueillies sur l’existence de telles interactions entre l’océan de magma qui se trouve à l’intérieur et l’atmosphère », explique Dorn, qui a participé à la publication correspondante sur TOI-270d. Parmi les objets intéressants qu’elle souhaite examiner de plus près figure également la planète K2-18b, qui a fait la une des journaux en raison de la probabilité qu’elle abrite de la vie.

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

L’eau est l’une des conditions préalables au développement de la vie. On spécule depuis longtemps sur l’habitabilité potentielle de super-Terres riches en eau, c’est-à-dire de planètes dont la masse est plusieurs fois supérieure à celle de la Terre et dont la surface est recouverte d’un océan profond. Des calculs ont ensuite suggéré qu’une quantité excessive d’eau pourrait être hostile à la vie. L’argument avancé 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 aboutit 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 ne se trouve pas à la surface, comme on le pensait jusqu’à présent, mais est emprisonnée dans le noyau. Les scientifiques en déduisent que même les planètes ayant une teneur en eau relativement élevée pourraient avoir le potentiel de développer des conditions habitables semblables à celles de la Terre. Comme le concluent Dorn et ses collègues, leur étude jette ainsi un nouvel éclairage sur l’existence potentielle de mondes riches en eau susceptibles d’abriter la vie.