Certains planétologues ont avancé que Neptune et Uranus pourraient abriter un cœur de diamant en raison des hautes pressions sur des matériaux carbonés. Par la suite, d'autres ont proposé que certains systèmes planétaires, nés à partir d'un disque de poussières particulièrement riches en carbone, des planètes telluriques carbonées, pourraient avoir des manteaux largement constitués de diamant. Aujourd'hui, des expériences de physique des hautes pressions accréditent cette thèse.

La découverte d'exoplanètes autour d'étoiles encore sur la séquence principale date de 25 ans déjà et elle a valu un prix Nobel à ses auteurs. Tout comme la diversité des planètes du Système solaire avait surpris avec les missions Voyager, ces exoplanètes ont déboulonné bien des idées reçues et ont ouvert des portes à des spéculations testables avec des instruments comme Kepler et maintenant, Tess. On suspecte l'existence de planètes océans ou à l'inverse de véritables Arrakis.

Depuis quelques années, on a même des indications en faveur de l'existence de planètes très riches en carbone alors que les planètes telluriques du Système solaire, comme la Terre ou Mars, sont riches en silicates, donc en oxydes de silicium. C'est peut-être le cas de l'exoplanète 55 Cancri e, une planète très chaude avec, dans un scénario théorique étudié, une surface de graphite qui entourerait une épaisse couche de diamant, en dessous de laquelle se trouveraient une couche de silicium à base de minéraux et un noyau de fer en fusion au centre. En effet, les expériences faites sur Terre concernant la physique des hautes pressions ont justement montré que les diamants terrestres les plus communs (les diamants noirs, rares, sont probablement d’origine extraterrestre) sont synthétisés à partir du carbone à hautes pressions et températures dans les entrailles de notre Planète.

Des planètes nées dans des disques protoplanétaires enrichis en carbone

Comment de telles planètes peuvent-elles se former ? Il se trouve que la chimie de la Voie lactée évolue au cours du temps et des générations d'étoiles massives vivant quelques millions d'années tout au plus et qui finissent par exploser en donnant des supernovae. Elles dispersent alors dans l'espace interstellaire les atomes qu'elles ont synthétisés, en particulier, du carbone, de l'oxygène, du fer et du silicium.

Certains nuages moléculaires où vont se former de nouvelles étoiles entourées d'un cortège de planètes vont donc avoir une composition plus ou moins enrichie en carbone ou en silicium. Ainsi, des étoiles et leurs exoplanètes vont-elles se former conjointement avec un rapport carbone sur silicium plus ou moins élevé, ce qui peut donc donner des exoplanètes dites carbonées comme l'expliquait Futura dans le précédent article ci-dessous. C'est aussi ce qu'ont expliqué pour la première fois les astrophysiciens Marc J. Kuchner et Sara Seager, en 2005, quoi qu'il soit nécessaire de rappeler que leur hypothèse avait en fait été suggérée par les travaux de la cosmochimiste Katharina Lodders. En 2004, à la suite des mesures des abondances de méthane (CH₄) et d'eau dans l'atmosphère de Jupiter réalisées par la sonde Galileo, Katharina Lodders avait déduit que cette planète du Système solaire était appauvrie en oxygène mais enrichie en carbone.

Selon la chercheuse, cela suggérait que l'embryon planétaire à l'origine de la géante -- qui s'était développé dans le disque protoplanétaire initial autour du Soleil -- devait s'être formé dans une zone particulièrement riche en carbone. En cas de migration planétaire, l'enveloppe gazeuse d'un tel embryon aurait pu être soufflée en s'approchant du Soleil, laissant une superterre particulièrement riche en carbone.

« La minéralogie a plusieurs volets ici, et ce qui nous rassemble tous, ce sont des méthodes, les échelles d'observations... » Entretiens avec Guillaume Fiquet, chercheur CNRS-IPGP-IMPMC, et des membres de son équipe. On y parle des presses à enclumes de diamant. © IPGP

Carbure de silicium et eau, une recette pour faire des diamants

Les progrès de la physique des hautes pressions, notamment en utilisant des lasers et des presses à enclumes de diamant, permettent aujourd'hui d'explorer aussi en laboratoire la physique des exoplanètes exotiques, notamment de ces planètes carbonées qui sont théoriquement susceptibles d'avoir un manteau de diamant comme c'est peut-être le cas avec 55 Cancri e. On en voit un exemple avec un article publié dans The Planetary Science Journal par une équipe de géophysiciens et de planétologues de l'Arizona State University (ASU) et de l'University of Chicago (UC)

Allen-Sutter et ses co-auteurs, Emily Garhart, Kurt Leinenweber et Dan Shim de l'ASU, avec Vitali Prakapenka et Eran Greenberg de l'UC, ont voulu tester l'hypothèse que ces exoplanètes, riches en carbone, pouvaient convertir cet élément en diamant et même produire avec lui des silicates en présence d'eau dans les profondeurs de ces astres.

Le matériau de base est censé être du carbure de silicium de formule SiC. Sur Terre, on peut le fabriquer en laboratoire et il se présente comme une céramique ultraréfractaire, ultradure et semiconductrice. Dans la nature, cette céramique est très rare et se présente sous la forme d'un minéral appelé la moissanite.

Dans le cas présent, les chercheurs ont donc comprimé avec une presse à enclumes de diamant un mélange de SiC et d'eau, chauffé à travers les diamants par un laser du laboratoire national d'Argonne, dans l'Illinois, et dont la structure et ses changements ont été mesurés par une technique de diffraction des rayons X. Comme prévu, des diamants et de la silice en ont résulté.