Pleut-il des diamants sur Saturne ?
Il pleut peut-être des diamants sur Saturne, mais personne ne l'a jamais observé. L'idée vient d'une communication présentée en 2013 par les planétologues Kevin Baines et Mona Delitsky, selon laquelle la suie de carbone produite par la foudre pourrait tomber à travers l'atmosphère de Saturne et se changer, sous l'effet de la pression, en graphite puis en diamant. C'est une hypothèse physiquement plausible fondée sur des modèles, pas une mesure, et d'autres chercheurs doutent qu'assez de carbone cristallise. La pluie bien mieux étayée à l'intérieur de Saturne, c'est la pluie d'hélium.
Sommaire
Le scénario, étape par étape
Baines et Delitsky ont combiné la chimie atmosphérique connue et les données de laboratoire sur le comportement du carbone à haute pression et haute température. Leur enchaînement est à peu près le suivant :
- La foudre brise le méthane. Saturne connaît de violents orages ; Cassini a capté leurs salves radio et vu leurs éclairs (voir les tempêtes). La foudre casse les molécules de méthane et libère des atomes de carbone.
- Le carbone s'agglomère en suie. Il forme des particules sombres. Des images de Cassini montrant des tempêtes géantes révélaient une matière sombre que les auteurs ont interprétée comme une suie possible.
- La suie tombe et se comprime. En descendant, les particules subissent une pression croissante qui les transforme d'abord en graphite, puis, à des milliers de kilomètres de profondeur, en diamant.
- Les diamants poursuivent leur chute. Dans leur modèle, ces diamants, peut-être jusqu'à un centimètre, coulent jusqu'à ce que la température devienne assez élevée pour les faire fondre, formant peut-être une couche de carbone liquide en profondeur.
La presse de l'époque a popularisé des chiffres comme « jusqu'à 1 000 tonnes de diamants par an ». Il s'agit d'une estimation tirée du modèle et non d'une mesure, à lire comme un ordre de grandeur illustratif.
Pourquoi les scientifiques restent prudents
L'hypothèse a été présentée lors d'un congrès, et non sous la forme d'une étude complète évaluée par les pairs, et plusieurs questions restent ouvertes :
- Assez de carbone ? Le méthane représente bien moins de 1 % de l'atmosphère de Saturne. La part qui finit en suie solide, et la survie de ces particules, sont incertaines.
- Diamant ou carbone dissous ? Certains calculs suggèrent que dans l'intérieur profond, chaud et riche en hydrogène de Saturne, le carbone pourrait se dissoudre dans l'hydrogène ou rester sous d'autres formes au lieu de cristalliser en diamant.
- Aucun test direct. Aucune sonde ne peut atteindre ces profondeurs. La sonde atmosphérique Galileo, qui est descendue plus bas que tout autre engin dans une planète géante, s'est tue vers 23 bars dans l'atmosphère de Jupiter, bien au-dessus de la zone où se formeraient des diamants. Cassini a terminé sa mission en se désintégrant dans la haute atmosphère de Saturne en 2017 (voir le Grand Finale).
Les scientifiques décrivent donc généralement la pluie de diamants sur Saturne et Jupiter comme possible, non établie.
Uranus et Neptune : des indices plus solides
Le dossier est plus solide pour les géantes de glace Uranus et Neptune, qui contiennent bien plus de carbone sous forme de méthane mêlé à l'eau et à l'ammoniac. L'idée de diamants formés en leur sein remonte au début des années 1980 (Marvin Ross, 1981). En 2017, une équipe menée par Dominik Kraus a utilisé des lasers très puissants au SLAC National Accelerator Laboratory, en Californie, pour comprimer par choc du polystyrène, un plastique hydrocarboné : des nanodiamants sont apparus dans des conditions proches de celles qui règnent à des milliers de kilomètres sous la surface des géantes de glace. Une expérience de 2022 avec du PET, qui contient aussi de l'oxygène, a montré que celui-ci facilitait la formation de diamants.
Ces expériences ne prouvent pas qu'il pleut des diamants sur Saturne, dont l'intérieur est dominé par l'hydrogène et l'hélium plutôt que par les « glaces », mais elles confirment que des hydrocarbures comprimés peuvent produire du diamant en très peu de temps.
La pluie d'hélium, celle que Saturne connaît presque sûrement
La précipitation la plus importante à l'intérieur de Saturne concerne l'hélium. À des pressions d'un million de bars et plus, l'hydrogène devient un fluide métallique. La théorie et l'expérience indiquent que l'hélium s'y mélange mal aux températures internes de Saturne : il se sépare en gouttelettes qui tombent vers le noyau.
Deux observations appuient ce scénario :
- Un surplus de chaleur. Saturne rayonne plus d'énergie qu'elle n'en absorbe du Soleil, davantage que ne l'explique son lent refroidissement. La chute de l'hélium convertit de l'énergie gravitationnelle en chaleur (voir température).
- De l'hélium manquant. La haute atmosphère de Saturne contient moins d'hélium que le Soleil, ce qui s'accorde avec un hélium qui aurait « plu » hors des couches externes.
Les modèles de l'intérieur de Saturne, contraints par les mesures de gravité de Cassini et la sismologie des anneaux, intègrent couramment une zone de pluie d'hélium. Jupiter en connaît probablement une version plus faible : la sonde Galileo y a mesuré un léger déficit d'hélium. Le néon, qui se dissout dans les gouttelettes d'hélium, y est lui aussi appauvri, autre indice.
Comment lire les gros titres
Des formules comme « il pleut des diamants sur Saturne » transforment une hypothèse prudente en fait acquis. Un résumé plus juste :
| Affirmation | Statut |
|---|---|
| La foudre de Saturne brise le méthane | bien établi |
| Des particules de suie se forment dans les orages | plausible, quelques indices indirects |
| Le carbone devient diamant au cœur de Saturne | hypothèse débattue |
| Des diamants se forment dans Uranus et Neptune | appuyé par l'expérience, non observé sur place |
| Pluie d'hélium dans Saturne | fortement étayée par les modèles et les observations |
Pour d'autres affirmations étonnantes passées au crible des données, voir si Saturne flotterait sur l'eau ; pour sa structure profonde, la page sur la structure interne.
Questions fréquentes
Pleut-il vraiment des diamants sur Saturne ?
C'est possible. Une étude de 2013 a suggéré que la suie produite par la foudre pourrait se changer en diamants dans les profondeurs de Saturne, mais le phénomène n'a jamais été observé et certains chercheurs doutent qu'assez de carbone cristallise.
D'où vient l'idée de la pluie de diamants ?
Kevin Baines et Mona Delitsky l'ont présentée en octobre 2013 au congrès de la Division des sciences planétaires de l'American Astronomical Society, à partir de la chimie atmosphérique et de données sur le carbone à haute pression.
Pourrait-on récolter des diamants sur Saturne ?
Non. D'éventuels diamants se trouveraient à des milliers de kilomètres sous les nuages, à des pressions et températures qu'aucune sonde ne supporterait, et plus bas encore ils fondraient.
Qu'est-ce que la pluie d'hélium ?
Au cœur de Saturne, l'hélium se sépare de l'hydrogène métallique et tombe en gouttelettes vers le noyau. Ce processus dégage de la chaleur et explique l'appauvrissement en hélium de la haute atmosphère.
Sources
- NASA Science : Saturn
- Kraus, D. et al. (2017), « Formation of diamonds in laser-compressed hydrocarbons at planetary interior conditions », Nature Astronomy
- Stevenson, D. J. et Salpeter, E. E. (1977), « The phase diagram and transport properties for hydrogen-helium fluid planets », The Astrophysical Journal Supplement Series
- Baines, K. H. et Delitsky, M. L., communication au 45e congrès de la Division for Planetary Sciences de l'AAS, Denver, octobre 2013