Tous les modèles de formation planétaire supposent que les matériaux constitutifs (gaz, glace, roche et métal) ne réagissent pas chimiquement entre eux. Des scientifiques se sont interrogés sur cette hypothèse, obtenant une réponse surprenante : la chaleur et la pression intenses des planètes en formation provoquent des réactions entre l’eau et les gaz. Ces réactions créent des mélanges inattendus dans les atmosphères des jeunes planètes de taille comparable à la Terre ou à Neptune, ainsi qu’une forme de « pluie » à l’intérieur de ces atmosphères.
Des études récentes indiquent que les planètes les plus courantes de notre galaxie, dont la taille se situe entre celle de la Terre et de Neptune, se forment généralement avec une atmosphère d’hydrogène. Il en résulte des conditions où l’hydrogène interagit avec l’intérieur en fusion de la planète pendant des millions, voire des milliards d’années. Les interactions entre l’atmosphère et l’intérieur sont donc essentielles pour comprendre la formation et l’évolution de ces corps célestes, ainsi que ce qui se trouve sous leurs atmosphères.
Les températures et les pressions impliquées sont si extrêmes que les expériences en laboratoire sont presque impossibles. Des simulations de dynamique moléculaire quantique ont été réalisées pour étudier l’interaction entre l’hydrogène et l’eau,deux des principaux composants planétaires,sur une large plage de pression et de température dans des planètes de taille inférieure ou égale à neptune.
« Nous pensons généralement que la physique et la chimie de base sont déjà connues », mais « quand il s’agit de l’intérieur profond des planètes, nous ne savons tout simplement pas. Il n’y a pas de manuel où nous pouvons trouver ces choses, et nous devons les prédire. »
Les chercheurs ont mis en place des simulations d’un système divisé en hydrogène et en eau, avec plusieurs centaines d’atomes de chaque, et ont calculé comment ils interagissent les uns avec les autres au niveau quantique. Les atomes ont réagi de manière naturelle, comme ils le feraient dans une expérience de laboratoire dans les mêmes conditions.
Les planètes peuvent être extrêmement chaudes à leur naissance ou si elles sont très proches de leur étoile. Ces expériences ont montré que ces planètes auraient une atmosphère composée d’un mélange homogène d’hydrogène et d’eau. Mais à mesure que les planètes vieillissent, leur température diminue, et l’hydrogène et l’eau commencent à se séparer. La séparation de l’eau pourrait non seulement générer une quantité inattendue de chaleur à l’intérieur de ces mondes, mais aussi remodeler la composition des atmosphères et l’évolution de ces planètes pendant des milliards d’années.
« Au fil du temps, à mesure que la planète se refroidit, dans les régions extérieures de l’atmosphère, des nuages commencent à se former lorsque l’eau se condense. » peu après, l’eau et l’hydrogène commenceraient à se séparer profondément dans l’atmosphère, un événement essentiel, étant donné que la majorité des réserves d’hydrogène et d’eau de la planète se trouvent dans ces profondeurs. Cela conduirait alors à une « pluie » à l’intérieur de l’atmosphère de la planète, car l’eau plus lourde coule tandis que l’hydrogène plus léger monte, ce qui entraîne une enveloppe extérieure riche en hydrogène et une enveloppe intérieure riche en eau.Cette découverte pourrait également aider à résoudre le mystère de la raison pour laquelle Uranus émet beaucoup moins de chaleur que Neptune, même si ces planètes ont une taille très similaire.
« La séparation de l’eau pourrait s’être produite dans une plus grande mesure dans Neptune que dans Uranus, générant ainsi plus de chaleur interne dans Neptune. » « Cela pourrait expliquer pourquoi Uranus présente un flux de chaleur significativement plus faible que Neptune. »
Ces travaux ont des implications pour les planètes situées en dehors de notre système solaire, comme K2-18 b et TOI-270 d, qui sont considérées comme des mondes potentiellement habitables avec une atmosphère d’hydrogène recouvrant un océan d’eau. Cependant, les températures internes de ces exoplanètes, si elles sont suffisamment élevées, pourraient se situer entièrement dans le régime où l’hydrogène et l’eau ne peuvent pas se séparer, de sorte qu’elles seraient constituées d’un seul fluide homogène hydrogène-eau.« Si l’eau et l’hydrogène sont effectivement mélangés de manière substantielle dans tout l’intérieur d’une planète, la structure et l’évolution thermique des exoplanètes de type Terre et neptune peuvent être considérablement différentes des modèles standard typiquement utilisés dans le domaine. »
« D’un autre côté,les planètes qui sont plus froides pourraient avoir une couche séparée enrichie en eau,possiblement sous forme liquide. »
La recherche fournit ainsi un cadre d’inspiration physique pour affiner la recherche de systèmes planétaires dans notre galaxie dans lesquels des exoplanètes riches en eau pourraient avoir des océans d’eau ou si elles pourraient avoir des atmosphères où l’hydrogène et l’eau sont complètement mélangés et révèle ce qui régit possiblement cette bifurcation.
# L’Interaction Hydrogène-Eau dans les Atmosphères Planétaires : Une Révolution dans la Compréhension des Planètes
## Introduction
Les modèles de formation planétaire supposent traditionnellement que les matériaux constitutifs (gaz, glace, roche et métal) n’interagissent pas chimiquement. Cependant, des recherches récentes remettent en question cette hypothèse, révélant des réactions surprenantes entre l’eau et les gaz dans les jeunes planètes. Ces interactions, influencées par la chaleur et la pression extrêmes, modifient la composition des atmosphères et pourraient avoir des implications majeures sur la structure et l’évolution des planètes.
## Atmosphères des Jeunes Planètes : Un Mélange Inattendu
les scientifiques ont découvert que les températures et les pressions intenses des planètes en formation provoquent des réactions entre l’eau et l’hydrogène, un composé atmosphérique courant. Ces réactions mènent à la formation d’un mélange homogène d’hydrogène et d’eau dans les atmosphères des jeunes planètes de taille similaire à la Terre ou à Neptune [[1]] [[2]].
## Le Rôle Crucial de l’Interaction Hydrogène-Eau
Les planètes de taille comprise entre la Terre et Neptune, les plus fréquentes dans notre galaxie, se forment souvent avec une atmosphère d’hydrogène. L’interaction entre cet hydrogène et l’intérieur en fusion de la planète est donc essentielle pour comprendre la formation et l’évolution de ces corps célestes [[3]].
## simulations et Modélisation
En raison des conditions extrêmes, les expériences en laboratoire sont impossibles. Les chercheurs ont utilisé des simulations de dynamique moléculaire quantique pour étudier l’interaction entre l’hydrogène et l’eau. Ces simulations, réalisées sur une large gamme de pressions et de températures, permettent de modéliser les comportements des atomes aux niveaux quantiques.
## Évolution et Séparation
À mesure que les planètes vieillissent et se refroidissent, l’hydrogène et l’eau commencent à se séparer. Ce processus peut générer de la chaleur supplémentaire à l’intérieur de la planète et modifier la composition de l’atmosphère. Il se forme alors une enveloppe extérieure riche en hydrogène et une enveloppe intérieure riche en eau. Ce processus pourrait également expliquer pourquoi Uranus émet moins de chaleur que Neptune [[3]].
## Implications pour les exoplanètes
Ces découvertes sont pertinentes pour l’étude des exoplanètes, notamment celles potentiellement habitables comme K2-18 b et TOI-270 d. La proportion de mélange ou de séparation de l’hydrogène et de l’eau dans ces planètes dépend des températures internes et peut avoir des effets significatifs sur leur structure et leur évolution.
## Tableau Récapitulatif
| Aspect | Description |
| ——————- | ———————————————————————————————————— |
| Composition initiale | Mélange homogène d’hydrogène et d’eau à haute température |
| Évolution | Séparation en couches riches en hydrogène et en eau à mesure que la planète se refroidit |
| Conséquences | Dégagement de chaleur interne,modification de la composition atmosphérique,impact sur l’évolution planétaire |
| Application | compréhension des exoplanètes (K2-18 b,TOI-270 d) et des planètes du système solaire (Uranus vs Neptune) |
## Foire aux questions (FAQ)
### Qu’est-ce qui cause le mélange d’hydrogène et d’eau ?
La chaleur et la pression extrêmes des jeunes planètes favorisent ce mélange.
### Que se passe-t-il lorsque la planète se refroidit ?
L’hydrogène et l’eau commencent à se séparer,formant des couches distinctes.
### Comment cela affecte-t-il les exoplanètes ?
Cela influence leur structure, leur évolution thermique et potentiellement leur habitabilité.
### Pourquoi est-ce vital ?
Cela remet en question les modèles précédents et améliore notre compréhension de la formation et de l’évolution planétaire.
### Comment les scientifiques ont-ils étudié ce phénomène ?
Grâce à des simulations de dynamique moléculaire quantique.