Espace : et si Uranus et Neptune n’étaient pas des géantes glacées ?

Notre compréhension de la structure interne des deux planètes les plus éloignées du Soleil est remise en question par des scientifiques suisses.

Les planètes Uranus et Neptune pourraient être plus rocheuses et moins glacées qu'on ne le pensait jusqu'à présent, montrent les travaux menés par des chercheurs de l’Université de Zurich.

Selon l’astrophysicien Luca Morf, l’un des auteurs principaux de l’étude publiée dans la revue Astronomy & Astrophysics (nouvelle fenêtre), ces deux géantes pourraient posséder un cœur de roche plutôt que de glace, contrairement à la théorie acceptée jusqu’à aujourd’hui.

L’astrophysicien Nicolas Cowan, professeur à l’Université McGill, qui n’a pas participé à ces travaux, trouve cette idée intéressante. Également chercheur à l’Institut Trottier de recherche sur les exoplanètes, le professeur Cowan pense que cette hypothèse suscitera certainement un débat au sein de la communauté astronomique, puisqu’elle va à l’encontre de ce qui est largement accepté depuis des dizaines d’années.

On place historiquement les planètes du Système solaire dans trois catégories, explique-t-il.

"La Terre, Mercure, Vénus et Mars sont des planètes rocheuses; Jupiter et Saturne sont des géantes gazeuses; et Uranus et Neptune étaient considérées comme des géantes de glace", une citation deNicolas Cowan, Université McGill.

Illustration artistique du Système solaire. Les distances entre les planètes ne sont pas à l'échelle. Photo : NASA

Ce classement des planètes est essentiellement basé sur leur distance par rapport au Soleil. Puisqu’elles se situent au-delà de la ligne de glace (la zone où les substances volatiles comme l’eau se congèlent), Neptune et Uranus étaient ainsi considérées comme des géantes de glace. Mais le sont-elles vraiment?

Les résultats [de l’équipe suisse] ne montrent pas hors de tout doute que les noyaux des deux planètes sont en roche, mais ils remettent plutôt en question l’idée que la richesse en glace soit la seule possibilité, note Nicolas Cowan.

L’hypothèse de l’équipe helvétique est aussi cohérente avec les données recueillies par la sonde New Horizons en 2015 qui laissent à penser que la planète naine Pluton possède un noyau rocheux massif qui mesure environ 1700 kilomètres de diamètre, soit environ 70 % de son diamètre.

Une image de Pluton prise par la sonde New Horizons en juillet 2015. Photo : NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

De la roche là où on ne l'attendait pas

Cette hypothèse remet ainsi en question le rôle de cette ligne de glace et les modèles de migration planétaire dans la formation des systèmes planétaires acceptés jusqu’à aujourd’hui.

Le professeur Cowan remarque qu’il est très difficile de connaître la composition interne des planètes, puisqu’elles ne seraient pas composées de couches distinctes comme on l’imagine dans les livres pour enfants. L’intérieur d’Uranus et Neptune ressemblerait plutôt à une vinaigrette bien mélangée.

En d’autres mots, à cause de la pression et de la température extrême, l'hydrogène, la roche et la glace se mélangent, ce qui rend les transitions entre les couches internes plutôt floues.

Tester des centaines de scénarios

Pour arriver à leur hypothèse, les chercheurs européens ont eu recours à des simulations numériques basées sur des modèles simplifiés, inspirés de l'étude des exoplanètes.

Ils ont créé des profils aléatoires de la densité de l'intérieur des deux planètes, puis ils ont calculé leur champ gravitationnel respectif en utilisant les données d'observation pour en déduire de potentielles compositions.

Un processus qu'ils ont répété avec des centaines de scénarios afin d'obtenir la meilleure correspondance possible entre les modèles et les données observées.

Ainsi, plutôt que de présumer de la composition des noyaux, les scientifiques ont testé différentes combinaisons de matériaux (roche, gaz, glace) pour voir lesquelles correspondaient le mieux aux données connues de densité et de champ gravitationnel des deux astres.

Cette approche simplifiée – contrairement à celles beaucoup plus complexes utilisées habituellement avec les planètes de notre Système – a permis d’établir que des noyaux sans glace peuvent expliquer la structure d’Uranus et Neptune, dont certains pourraient être rocheux, note Nicolas Cowan. Le scientifique rappelle que ces conclusions restent hypothétiques.

"On n’a honnêtement aucune idée de ce qui se trouve à l'intérieur d'Uranus et de Neptune. On n’a pas un télescope magique qui peut voir l'intérieur d'une planète. Elles pourraient être des géantes rocheuses ou glacées, et il reste impossible de le déterminer hors de tout doute avec les données actuelles", une citation de Nicolas Cowan, Université McGill.

L’auteur Luca Morf admet que de nombreuses incertitudes subsistent et qu’il faut réussir à mieux comprendre comment les matériaux se comportent sous les conditions particulières de pression et de température observées au centre d'une planète.

Malgré les incertitudes, les nouveaux résultats remettent en question des hypothèses datant de plusieurs décennies.

De nouvelles perspectives magnétiques

Selon les auteurs de l’étude, le modèle permet aussi de résoudre un vieux mystère : pourquoi les pôles magnétiques d'Uranus et de Neptune sont-ils si chaotiques?

Nos simulations montrent que des couches d'eau, situées à des endroits précis de la structure interne, agissent comme de gigantesques générateurs électriques (des dynamos), créant ces champs magnétiques aux formes irrégulières, affirment les astrophysiciens dans leur publication.

En outre, ils ont découvert que le champ magnétique d'Uranus prend naissance plus profondément que celui de Neptune.

De nouvelles missions nécessaires

Pour réussir à caractériser plus clairement la composition du duo planétaire, Nicolas Cowan – comme les auteurs de l’étude – estime qu’il faut qu’une sonde les visite, comme c’est le cas pour la sonde Juno en orbite autour de Jupiter.

Lancée en 2011 et arrivée autour de Jupiter en 2016, Juno continue aujourd'hui de recueillir des informations sur Jupiter, dont certaines ont permis de cerner avec précision le champ gravitationnel de la planète – mieux que ne peuvent le faire les télescopes terrestres. Ces informations ont permis d’établir qu’elle n’avait pas de véritable noyau solide et qu’il s’agissait fort probablement d’une vinaigrette bien mélangée, pour reprendre la comparaison du professeur Cowan.

La NASA espère lancer un orbiteur vers Uranus dans les années 2030, qui arriverait à destination vers le milieu des années 2040.

La Chine veut aussi explorer le Système solaire externe. Sa mission Tianwen-4, dont le lancement est également prévu vers 2030, pourrait inclure un survol ou une mise en orbite autour d'Uranus vers 2045.

Une clé pour comprendre les exoplanètes

La technique de simulations utilisée dans cette recherche pourrait aussi l’être pour mieux caractériser les exoplanètes lointaines, affirme Nicolas Cowan.

De façon générale, pour notre système, les astronomes utilisent des modèles complexes hyper spécifiques à chacune des planètes.

Il reste que c'est un petit peu décevant d'utiliser plusieurs modèles. Par exemple, [un modèle] pour étudier le climat de la Terre et un autre complètement différent pour Mars ou pour Saturne, ajoute le professeur Cowan.

"J’aime l'idée d'un modèle plus simple qui peut s’adapter à plusieurs différentes planètes. Dans l’étude des exoplanètes, c’est très intéressant", une citation de Nicolas Cowan, Université McGill

Selon lui, certains astronomes qui se spécialisent dans l’étude d’une planète en particulier de notre Système pourraient penser que ce modèle est trop simpliste et que ses simulations ne tiennent pas la route.

Le professeur Cowan pense toutefois que cette technique simple de simulation est très prometteuse pour caractériser des exoplanètes. C’est particulièrement le cas pour les milliers de mini-Neptunes et de super-Terres que nous avons découvertes et pour lesquelles nous avons peu de données précises.

D’ailleurs, le chercheur indique que les auteurs présenteront dans les prochains mois leurs travaux dans des conférences consacrées aux exoplanètes.