Noyaux de Jupiter et Saturne : pourquoi les éléments lourds restent en place ✛
Imaginez un cocktail en couches : au fond du verre, un sirop épais ; au-dessus, un jus léger. Si l'on chauffe doucement le verre, le sirop reste en bas : la chaleur pousse le liquide à se mélanger, mais la forte densité du sirop l'empêche de monter. Quelque chose de semblable, mais à une échelle gigantesque, se produit dans les entrailles des planètes géantes. Jupiter et Saturne sont principalement composées de gaz légers — hydrogène et hélium — mais en leur centre se trouvent des éléments plus lourds, comme l'eau et le carbone, peut-être apportés par des comètes et des astéroïdes à l'aube de leur formation. Les données des sondes montrent que les noyaux de ces planètes n'ont pas de frontière nette, mais sont étalés sur des milliers de kilomètres. Pendant longtemps, les scientifiques ont pensé qu'un type particulier de convection, la double diffusion, pourrait progressivement disperser la matière lourde du noyau vers l'enveloppe, tel un lent courant.
La nouvelle modélisation a suivi l'évolution de Jupiter et de Saturne sur 4,5 milliards d'années. Le code informatique intègre le mécanisme de double diffusion ainsi que la convection ordinaire, selon un critère formulé par Karl Schwarzschild. Le résultat est modeste : pendant toute l'existence du système solaire, Jupiter n'a perdu qu'environ 0,1 masse terrestre de matière lourde, et Saturne encore moins. Même en amplifiant artificiellement le mélange mille fois, les noyaux ne maigrissent presque pas — seulement d'une à deux masses terrestres environ. La raison : les profondeurs des géantes gazeuses sont fortement comprimées, et presque toute l'énergie thermique de la planète est nécessaire pour déplacer les particules contre la gravité. Comme le soulignait jadis l'astrophysicien Subrahmanyan Chandrasekhar, dans de telles conditions, le mélange s'arrête tout simplement, et l'entropie (le désordre) n'augmente presque pas.
Il s'avère que la diffusion actuelle des éléments lourds n'est pas le résultat d'un long mélange progressif, mais un héritage d'une jeunesse turbulente. Soit l'accrétion précoce (l'agrégation de matière lors de la formation de la planète) a créé d'elle-même des gradients étendus, soit de rares catastrophes, comme des collisions frontales avec des corps de la taille de dix Terres, ont tout mélangé d'un coup. Cette découverte est importante non seulement pour notre maison : des milliards d'exoplanètes dans la Galaxie pourraient également avoir de tels noyaux « inachevés ». À l'avenir, grâce à la spectroscopie des atmosphères de mondes lointains, nous pourrons vérifier à quelle fréquence on y trouve des traces d'intérieurs mal mélangés. En attendant, le mystère des planètes en couches devient un peu plus clair.
L'idée de l'« échelle » à double diffusion vient de l'océanographie : là-bas, des couches d'eau de température et de salinité différentes forment des profils en escalier que l'on peut observer dans les profondeurs de l'océan.