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samedi 15 mars 2014

Géantes de glaces (géantes gazeuses de type Neptune)




Les géantes de glaces, ou planètes géantes de glace, sont des planètes et exoplanètes composées principalement d'éléments volatils autres que l'hydrogène et l'hélium, tels que l'eau, l'ammoniac, les hydrocarbures (des glaces au sens astrophysique du terme)... Bien que géantes gazeuses, elles se différencient notablement des géantes joviennes, par cette composition et leur taille inférieure.

Il est apparu dans les années 1990, que les 4 géantes gazeuses de notre système solaire représentaient 2 classes distinctes de planètes, les géantes Jupiter et Saturne ayant une composition, une taille et d'autres propriétés bien différentes de Neptune et Uranus, bien plus petites. 
  • Des différences de composition : les géantes de glaces (Neptune et Uranus) ne sont pas composées en majorité d'hydrogène et d'hélium, comme le sont les géantes joviennes, à 90% par exemple, pour Jupiter.
  • Des différences de structure : les géantes de glaces ne sont pas structurées en couches concentriques comme les géantes joviennes semblent l'être.
  • Des différences de taille, de température, d'orbite... moins caractéristiques mais régulièrement observées.
Ces distinctions ont conduit à différencier les géantes joviennes (Jupiter, Saturne) des planètes de type Neptune, nommées géantes de glaces (Ice giants, dont Neptune et Uranus font partie), ou parfois sous-géantes.

Composition et structure

Les géantes de glaces sont ainsi composées à majorité d'éléments volatils relativement lourds (par rapport à l'hydrogène et l'hélium), tels que l'eau, l'ammoniac, le méthane, à hauteur de 80%. Du fait que ces éléments soient plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, mais moins lourds que les composées rocheux ou métalliques tels que silicate, fer, ou nickel, on les nomme, en astrophysique, des glaces. Le terme ne fait pas ici référence à l'état (on trouve des glaces liquides, mais également solides, gazeuses...) mais au type de composés chimiques, intermédiaires entre gaz légers et roches/métaux. Ainsi, les géantes de glaces ne sont pas forcément constituées à majorité de glace d'eau, tels que le sont certaines comètes et astéroïdes. Elles contiennent aussi vraisemblablement, en petite quantité, des éléments lourds au sein d'un noyau de type rocheux, en leur centre.

Comme leurs cousines joviennes, les géantes de glaces sont gazeuses et possèdent une épaisse atmosphère constituée essentiellement d'hydrogène et d'hélium. Globalement, néanmoins, ces deux composés ne représentent qu'une fraction de la masse totale de la planète, de l'ordre de 20%, si l'on se réfère aux deux géantes de glaces de notre système solaire.

Ci-contre : structure estimée d'une géante de glace (img : S. Desbrosses - www.univers-et-espace.com). Ci-haut : vue d'artiste d'une géante gazeuse. La présence de méthane dans l'atmosphère serait l'une des causes principales de l'apparence bleutée de la planète. (img : S. Desbrosses - www.univers-et-espace.com)

Cette atmosphère peut présenter tous les signes d'une activité météorologique importante : nuages, vents, flux de densité, accompagnant des phénomènes bien connus sur Terre, tels que les tourbillons polaires, les tempêtes et possiblement des pluies de méthane. L'atmosphère en surface présente une grande variabilité chimique locale, probablement due aux rayonnements solaires et peut-être, aux transferts de chaleur venant des couches inférieures de la planètes. Du fait de l'éloignement à l'étoile parente, néanmoins, la température en surface est extrêmement basse : Neptune et Uranus présentent une température de surface de l'ordre de 50°K seulement (environ -220°C).

Sans qu'une limite claire ne puisse être fixée entre la couche inférieure et l'atmosphère d'hydrogène-hélium , cette dernière recouvre un manteau de glace semi-liquide d'eau (sous forme de fluide supercritique), d'ammoniac et d'hydrocarbures tels que le méthane, qui représentent la majeure partie de la masse de la planète. La pression exercée à ces niveaux conduit ces glaces à présenter une forme inhabituelle transitoire, entre les gaz et les liquides dans le manteau supérieur, et entre les liquides et les solides dans le manteau inférieur, probablement riche en éléments moyennement lourds tels qu'oxygène, carbone, azote et sulfure. La pression vers le cœur de la planète augmente considérablement la température, certains éléments composés tels que le méthane pourraient littéralement se désintégrer (leur sous-composants se ionisant sous l'effet) et donner naissance à des diamants! (le méthane étant composé notamment de carbone).

Les mouvements, dans le manteau, des masses liquides d'éléments ionisés peuvent produire un champ magnétique intense, mais relativement chaotique. La faiblesse de ces champs par rapport à ceux des géantes joviennes suggère néanmoins que le manteau manque d'hydrogène, qui pourrait se métalliser sous la pression. Le manteau entoure un noyau de type rocheux et métallique en fusion, dont la taille apparaît similaire, chez Neptune et Uranus, à celle de la Terre.

Formation et évolution

Considérant leurs importante quantité de gaz, on déduit que les géantes de glaces se forment très tôt après la naissance du disque d'accrétion protoplanétaire, de l'ordre de 3 à 10 millions. Pendant les premiers millions d'années d'accrétion, le disque protoplanétaire contient en effet suffisamment d'éléments volatils, qui sont cependant vite captés par l'étoile et les géantes joviennes. Du fait de leur position éloignée, les géantes de glaces naissantes capturent également énormément de glaces (entendu, de l'eau mais également des éléments volatils plus lourds que l'hydrogène et l'hélium : carbone, azote...) et de poussières. C'est d'ailleurs de cette période et de leur capacité à capter ces glaces qu'elles acquièrent leur nom.

On connait peu leur évolution mais il semble certain qu'elles puissent se refroidir suffisamment pour présenter de moins en moins de transfert de chaleur, qui conduirait à une pacification des phénomènes atmosphériques, comme on pense que c'est le cas d'Uranus, dont l'atmosphère est beaucoup plus homogène que celle de Neptune. On ignore cependant si l'inclinaison particulièrement élevée de cette planète n'interviendrait pas dans l'apparente tranquillité de son climat.

L'étude des exoplanètes a conduit à supposer que les géantes de glace éloignées de leur soleil (les Neptunes froides), peuvent aisément se déporter vers le centre stellaire, ou leur atmosphère est littéralement soufflée par les vents solaires. Au cours de ce déplacement, et comme les géantes de glace qui se seraient formées près de leur étoile, leur qualificatif change : on a affaire à des Neptunes chaudes aux caractéristiques parfois étranges, comme c'est le cas de Gliese 436b, l'enfer de glace. Cette planète présente de la glace d'eau brûlante, encore solide à 440°C! De telles planètes, malgré les vents solaires, conservent très longtemps une atmosphère. On ignore encore comment celle-ci évolue par la suite : peut être des planètes de type terrestre ou des planètes océans, se sont-elles formées à partir de géantes de glaces ayant perdu un large proportion de leur atmosphère?