La composition de Jupiter expliquée par sa formation au voisinage de la zone de sublimation de la glace

Publié par Adrien le 15/04/2019 à 08:00
Source: CNRS-INSU
Une équipe internationale de chercheurs issus du Laboratoire d'astrophysique de Marseille (LAM, CNRS/CNES/Institut Pythéas/Aix-Marseille Université) et de l'Université de Cornell ont développé un modèle permettant d'expliquer la composition de l'atmosphère de Jupiter (L’atmosphère de Jupiter est la plus importante des atmosphères des planètes du système solaire. Elle est composée principalement d'hydrogène et d'hélium ; les autres...) en supposant la formation de la planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la...) au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en...) de la zone de sublimation de la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) amorphe dans la nébuleuse (Une nébuleuse (du latin nebula, « nuage ») désigne, en astronomie, un objet céleste d’aspect diffus composé de gaz raréfié et/ou de poussières interstellaires. Les...) protosolaire. Cette étude montre que les enrichissements en éléments volatils mesurés depuis des décennies dans l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) de Jupiter ont pu être acquis grâce à l'accrétion (L'accrétion désigne en astrophysique, en géologie et en météorologie l'accroissement par apport de matière.) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) relâchés par la cristallisation de la glace amorphe au voisinage de la zone de formation de la planète, permettant ainsi de réconcilier les modèles de formation récents avec les mesures de composition.


Jupiter © JPL - NASA
La source des enrichissements en éléments volatils mesurés en 1995 par la sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la...) de rentrée Galileo (Galileo est le nom du futur système de positionnement par satellites européen, en test depuis 2004, qui commencera à être utilisable en 2010 et le...) dans l'atmosphère de Jupiter fait toujours l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette...) de débats. Mis à part le cas particulier de l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) dont l'abondance a été trouvée appauvrie par rapport au Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...), les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de la sonde Galileo (Galileo fut une sonde spatiale américaine (conçue par la NASA) conçue pour l'étude de la planète Jupiter et de ses lunes, lancée le 18 octobre 1989 à...) ont montré que celles de l'argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.), du krypton (Le krypton est un élément chimique, de symbole Kr et de numéro atomique 36.), du xénon (Le xénon est un élément chimique, de symbole Xe et de numéro atomique 54. Le xénon est un gaz noble, inodore et incolore. Dans une lampe à...), du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), de l'azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne le gaz...), du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de numéro atomique 16.) et du phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.) sont toutes enrichies dans l'atmosphère de Jupiter d'un facteur compris entre 2 et 4 fois les valeurs solaires.

Les scénarios classiques de la formation de Jupiter supposent d'abord la formation par accrétion d'un coeur solide constitué d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) de glaces et de roches. Au bout de plusieurs millions d'années, ce coeur a atteint une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) critique qui a permis l'effondrement sur lui-même du gaz issu de la nébuleuse protosolaire en un laps de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) très rapide (quelques milliers d'années). C'est au cours de cet effondrement que l'on pensait que des planétésimaux ont pu être drainés et se vaporiser dans l'atmosphère du proto-Jupiter, créant ainsi les enrichissements en éléments volatils observés par Galileo. Cependant, ce scénario pose de sérieux problèmes aujourd'hui puisqu'il a été récemment montré que l'accrétion de planétésimaux est impossible dans une planète de la masse de Jupiter en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de croissance.


Abondances des éléments volatils mesurées dans les atmosphères de Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune et normalisées par rapport aux valeurs établies dans le Soleil. Les données sont issues des missions Voyager, Galileo, Cassini, Juno et de l'observatoire spatial ISO.

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de l'analyse...), l'équipe Franco-Américaine a démontré qu'il était possible que le gaz accrété par Jupiter soit préalablement enrichi en éléments volatils dans la nébuleuse protosolaire, lui permettant ainsi de réconcilier les modèles de formation de la planète géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches...) et ses mesures de composition atmosphérique. Dans le scénario proposé, les blocs de construction formés à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) dans les parties externes de la nébuleuse ont migré vers l'intérieur du disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus...) avant de rencontrer la zone de cristallisation de la glace amorphe. En traversant cette zone, les planétésimaux ont subi une transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).) exothermique (cristallisation de la glace amorphe) qui a entrainé la désorption des molécules volatiles piégées dans leur glace, lesquelles se sont mélangées avec la phase gazeuse de la nébuleuse. En se formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) dans cette région de la nébuleuse, Jupiter a ainsi pu accréter son enveloppe à partir d'un gaz dont la métallicité correspondait déjà à celle observée aujourd'hui par Galileo.

Les résultats de cette étude se généralisent à toutes les géantes gazeuses dont les sur-métallicités peuvent être expliquées par l'accrétion d'un gaz issus du disque et préalablement enrichi en éléments volatils. Ce travail souligne également l'importance des mesures in situ pour mieux comprendre la formation des planètes géantes. Un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours...) de sonde de rentrée atmosphérique analogue à la mission Galileo est d'ailleurs à l'étude à l'ESA pour aller explorer les atmosphères d'Uranus et/ou Neptune dans le cadre d'un futur partenariat avec la NASA.


Illustration du scenario proposé, qui vise à expliquer un enrichissement homogène en éléments volatils dans l'atmosphère de Jupiter. La nébuleuse protosolaire est montrée de côté, les flèches noires montrant l'évolution dynamique des grains. Les particules amorphes de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) bleue migrent vers l'intérieur de la nébuleuse et croisent la zone de cristallisation vers 143 K. Une fois cristallisées, les particules de couleurs grises poursuivent leur migration vers l'intérieur du disque et relâchent les molécules volatiles dans la phase gazeuse de la nébuleuse. La métallicité de la phase gazeuse de la nébuleuse augmente progressivement sur plusieurs unités astronomiques autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) de la zone de cristallisation et atteint des valeurs comparables à celle mesurée dans Jupiter par la sonde de rentrée atmosphérique Galileo.
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