Le cœur battant de notre planète est resté un mystère pour les scientifiques qui recherchent comment la Terre s'est formée et ce qui a présidé à sa création. Mais une étude récente a été en mesure de recréer les pressions intenses qui s’approchent de celles du centre de la Terre, offrant aux chercheurs un aperçu des débuts de notre planète et même à quoi pourrait ressembler le noyau.
Ils ont annoncé leurs conclusions dans un numéro récent de la revue Science . «Si nous déterminons quels éléments sont dans le noyau, nous pourrons mieux comprendre les conditions dans lesquelles la Terre se sera formée, ce qui nous renseignera sur les débuts de l'histoire du système solaire», a déclaré Anat Shahar, auteur principal de l'étude, géochimiste à la Carnegie Institution for Science. à Washington, DC Cela pourrait également donner aux chercheurs un aperçu de la naissance d'autres planètes rocheuses, à la fois dans notre propre système solaire et au-delà.
La Terre s'est formée il y a environ 4, 6 milliards d'années à la suite d'innombrables collisions entre des corps rocheux allant d'objets de la taille de Mars à des astéroïdes. À mesure que la Terre primitive se développait, sa pression interne et sa température augmentaient également.
Cela avait des implications sur la façon dont le fer - qui constitue la majeure partie du noyau de la Terre - interagissait chimiquement avec des éléments plus légers tels que l'hydrogène, l'oxygène et le carbone, le métal le plus lourd se séparant du manteau et s'enfonçant à l'intérieur de la planète. Le manteau est la couche située juste sous la croûte terrestre et le mouvement de la roche en fusion à travers cette région entraîne la tectonique des plaques.
Les scientifiques reconnaissent depuis longtemps que les changements de température peuvent influer sur la mesure dans laquelle une version, ou un isotope, d'un élément tel que le fer devient partie intégrante du noyau. Ce processus s'appelle le fractionnement isotopique.
Jusqu'à présent, toutefois, la pression n'était pas considérée comme une variable critique affectant ce processus. «Dans les années 60 et 70, des expériences ont été menées à la recherche de ces effets de pression et aucun n'a été trouvé», explique Shahar, qui fait partie du programme Deep Carbon Observatory. «Nous savons maintenant que les pressions qu’ils testaient - environ deux gigapascals [GPa] - n’étaient pas assez élevées."
Un article publié en 2009 par une autre équipe a suggéré que la pression aurait pu influencer les éléments qui en ont fait le cœur de notre planète. Shahar et son équipe ont donc décidé de réexaminer ses effets, mais en utilisant un équipement pouvant supporter des pressions allant jusqu'à 40 GPa, ce qui est beaucoup plus proche des 60 GPa que les scientifiques considèrent comme la moyenne au début de la formation du noyau sur Terre.
Lors d'expériences effectuées à Advanced Photon Source du département de l'Énergie américain, une installation utilisateur de l'Office of Science du Laboratoire Argonne National dans l'Illinois, l'équipe a placé de petits échantillons de fer mélangés à de l'hydrogène, du carbone ou de l'oxygène entre les pointes de deux diamants. Les côtés de cette «cellule à enclume de diamant» ont ensuite été pressés ensemble pour générer d’immenses pressions.
Ensuite, les échantillons de fer transformés ont été bombardés avec des rayons X de grande puissance. "Nous utilisons les rayons X pour sonder les propriétés vibratoires des phases de fer", a déclaré Shahar. Les différentes fréquences de vibration lui indiquaient les versions de fer qu'elle avait dans ses échantillons.
L’équipe a constaté que les pressions extrêmes affectaient le fractionnement des isotopes. L'équipe a notamment découvert que les réactions entre le fer et l'hydrogène ou le carbone - deux éléments considérés comme présents dans le noyau - auraient dû laisser une signature dans les roches du manteau. Mais cette signature n'a jamais été retrouvée.
"Par conséquent, nous ne pensons pas que l'hydrogène et le carbone sont les principaux éléments légers du noyau", a déclaré Shahar.
Selon les expériences du groupe, la combinaison de fer et d’oxygène n’aurait pas laissé de traces dans le manteau. Il est donc toujours possible que l'oxygène soit l'un des éléments les plus légers du noyau terrestre.
Les résultats corroborent l'hypothèse selon laquelle l'oxygène et le silicium constituent l'essentiel des éléments légers dissous dans le noyau de la Terre, explique Joseph O'Rourke, géophysicien à Caltech à Pasadena, en Californie, qui n'a pas participé à l'étude.
«L'oxygène et le silicium sont extrêmement abondants dans le manteau et nous savons qu'ils sont solubles dans le fer à des températures et pressions élevées», a déclaré O'Rourke. "Puisque l'oxygène et le silicium sont fondamentalement garantis pour entrer dans le noyau, il n'y a pas beaucoup de place pour d'autres candidats comme l'hydrogène et le carbone."
Shahar a déclaré que son équipe envisageait de répéter son expérience avec du silicium et du soufre, d'autres constituants possibles du noyau. Maintenant qu’ils ont montré que la pression peut avoir une incidence sur le fractionnement, le groupe envisage également d’examiner ensemble les effets de la pression et de la température, ce qui, selon eux, donnera des résultats différents de ceux obtenus séparément. «Nos expériences ont toutes été réalisées avec des échantillons de fer solide à température ambiante. Mais pendant la formation du noyau, tout était fondu », a déclaré Shahar.
Les scientifiques ont déclaré que les résultats de telles expériences pourraient être pertinents pour les exoplanètes ou les planètes situées au-delà de notre propre système solaire. "Parce que pour les exoplanètes, vous ne pouvez voir que leurs surfaces ou leurs atmosphères", a déclaré Shahar. Mais comment leurs intérieurs affectent-ils ce qui se passe à la surface, a-t-elle demandé. "La réponse à ces questions aura une incidence sur le fait qu'il y ait ou non de la vie sur une planète."
En savoir plus sur cette recherche et plus à l'observatoire Deep Carbon.
Note de la rédaction, 5 mai 2016: Cette histoire situait à l'origine le site des expériences à Washington, DC Elles ont été réalisées dans un laboratoire de l'Illinois.
