L’hélium du noyau de la Terre suggère la formation de la planète

Selon une étude publiée cette semaine, une forme rare d’hélium a peut-être inondé le noyau de la Terre lors de la formation de la planète dans les premiers stades chauds de notre système solaire. Mesurer cet hélium et d’autres gaz piégés profondément dans la Terre pourrait donner des indices vitaux sur la façon dont elle et d’autres planètes se sont formées. Si un nouveau modèle est correct, notre planète pourrait avoir eu une naissance plus rapide que les scientifiques ne l’avaient précédemment supposé.

La manière précise dont la Terre s’est formée est toujours une “question en suspens”, déclare Zachary Sharp, géochimiste à l’Université du Nouveau-Mexique et auteur de l’étude publiée dans Géochimie, Géophysique, Géosystèmes† En règle générale, les scientifiques pensent que la proto-Terre et d’autres planètes du système solaire primitif se sont formées progressivement au fur et à mesure que la poussière s’accumulait, s’agglomérant en morceaux de plus en plus gros, dit-il. Mais l’ancien hélium piégé profondément dans la Terre pourrait indiquer une histoire différente.

La clé pour comprendre cette histoire est un isotope rare appelé hélium-3. Il existe deux types différents d’atomes d’hélium, appelés hélium-3 et hélium-4, dont la masse diffère d’un neutron. L’hélium-4 peut se former sur Terre par la désintégration radioactive d’éléments plus lourds, mais notre planète dispose d’un approvisionnement limité en hélium-3, qui a été piégé dans la Terre lors de sa formation, explique Sharp. Cet ancien hélium-3 représente une infime fraction d’un pour cent de tout l’hélium terrestre. Si peu d’hélium-3 s’échappe du sous-sol profond chaque année que le gaz ne remplirait qu’environ 50 ballons d’anniversaire, dit Sharp.

Le système solaire primitif avait un nuage de gaz et de poussière centré sur le soleil appelé nébuleuse solaire, que la plupart des chercheurs pensent dispersé après un million ou deux millions d’années, dit Sharp. Pendant des décennies, l’explication principale des astronomes a été que les grains de poussière dans la nébuleuse se conglomèrent en particules plus grosses. Ceux-ci sont devenus de plus en plus gros jusqu’à ce qu’ils forment des objets de plusieurs kilomètres de large, qui se sont ensuite écrasés “comme des autos tamponneuses”, dit Sharp, pour finalement atteindre la taille d’une planète.

Mais Sharp et son co-auteur, Peter Olson, ont proposé un nouveau modèle pour une idée alternative et longtemps débattue pour la création de la Terre et d’autres planètes : que les mondes « se sont formés rapidement en présence de la nébuleuse solaire », dit Sharp. . De petits morceaux de la taille d’un caillou se seraient dirigés vers le soleil depuis les confins du système solaire. Ensuite, alors que les protoplanètes balayaient le soleil, elles auraient ramassé ces cailloux et accumulé leur masse rapidement – en environ deux millions d’années, alors que la nébuleuse existait encore, plutôt que plusieurs millions d’années après sa disparition.

Dans ce scénario plus rapide, la gravité terrestre aurait attiré une atmosphère dense, épaisse et à haute température depuis la nébuleuse solaire. La Terre aurait été chaude, abritant un «océan de magma» à sa surface, dit Sharp.

Dans ces conditions, les gaz de l’atmosphère se dissoudraient dans l’océan de magma. Sharp compare cet effet à l’intérieur d’une canette de soda, où la haute pression force le dioxyde de carbone à l’intérieur du soda. Ensuite, de la même manière qu’un soda devient plat lorsqu’il est laissé ouvert, lorsque la pression environnante a disparu, les gaz atmosphériques sont progressivement libérés.

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Sharp dit que lui et Olson ont reconnu que parce qu’une telle quantité d’hélium était forcée dans cet océan de magma sous l’atmosphère à haute pression, l’élément finirait par se mélanger à travers la Terre et se coincerait dans son noyau métallique.

Ils pensent que l’hélium remonte du noyau jusqu’au manteau et “suinte de la Terre” des dorsales médio-océaniques où les plaques tectoniques se séparent. Cet hélium émerge également de «points chauds» dans des endroits comme Hawaï, Yellowstone et l’Islande, où des panaches de magma montent du sous-sol profond, dit Sharp. L’hélium est si léger qu’il monte haut dans l’atmosphère et se perd dans l’espace. Si l’hélium-3 s’échappe de cette manière, une formation progressive de la Terre rendrait difficile d’expliquer comment le gaz s’est retrouvé piégé dans le noyau, dit Sharp.

“Si leur modèle est correct, cela signifie que la Terre s’est accrétée en présence de gaz nébuleux solaires”, c’est-à-dire d’hydrogène et d’hélium, explique Francis Nimmo, planétologue à l’Université de Santa Cruz qui n’a pas participé à l’étude. Ceci, à son tour, signifie que la Terre doit s’être formée rapidement – plus rapidement que les scientifiques ne le pensent actuellement, dit Nimmo.

Nimmo note que “l’article doit faire beaucoup d’hypothèses” sur les conditions du système solaire primitif et de la proto-Terre, que d’autres chercheurs exploreront probablement et sépareront dans des travaux futurs. Par exemple, ils pourraient rassembler davantage de preuves expérimentales de la facilité avec laquelle il est possible de dissoudre l’hélium dans des métaux à des températures et des pressions élevées, comme le suggèrent Sharp et Olson dans l’océan magmatique de la Terre.

Ce que cette étude nous dit sur la formation de la Terre sera également pertinent pour les explorations d’étoiles et d’exoplanètes ailleurs dans l’univers, dit Sharp. Peut-être que des planètes d’autres systèmes solaires se sont également formées rapidement dans une pépinière gazeuse autour de jeunes étoiles.

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