La plupart des plan`etes et lunes du syst`eme solaire ont un noyau dense entour´e de mat´eriel plus l´eger. Pour expliquer ces ph´enom`enes de r´epartition, une hypoth`ese ´emise ´etait que ces corps plan´etaires avaient subi une accr´etion h´et´erog`ene apportant d’abord le mat´eriel dense pour former les noyaux puis les mat´eriels l´egers pour former le manteau (Wanke, 1981). L’autre hypoth`ese veut que l’accr´etion se soit faite de fa¸con homog`ene `a partir de corps de compo- sitions chimiques similaires, diff´erenci´es ou non. Dans cette hypoth`ese g´en´eralement admise, l’´energie d’accr´etion et l’´energie due aux d´esint´egrations radioactives ont permis d’apporter suffisamment d’´energie aux plan`etes du syst`eme solaire pour permettre la s´eparation de leurs mat´eriaux r´epartis initialement de fa¸con homog`ene. Les ´elements chimiques composant les plan`etes vont se r´epartir en fonction de leurs affinit´es chimiques en quatre r´eservoirs d´efinis par Goldschmidt (Fig. 1.10) :
- les ´el´ements atmophiles que l’on retrouve surtout sous forme gazeuse,
- les ´el´ements lithophiles qui se concentrent dans la partie silicat´ee des plan`etes (manteau, croˆute),
- les ´el´ements chalcophiles qui sont relativement appauvris et qui forment des min´eraux instables `a hautes temp´eratures,
- les ´el´ements sid´erophiles (m´etaux `a fortes densit´es) qui sont appauvris dans les parties silicat´ees mais enrichis dans les phases m´etalliques.
1.3. MOD `ELES INTERNES DES OBJETS DU SYST `EME SOLAIRE 23
Fig. 1.10 – Classification de Goldschmidt dans le tableau de classification p´eriodique des ´el´ements chimiques (Illustration credit : Wikipedia).
1.3.1
Mod`eles internes des plan`etes telluriques
Les diff´erences d’affinit´es chimiques et de densit´es de ces ´el´ements se retrouvent aujour- d’hui dans la structure g´eochimique des plan`etes du syst`eme solaire. On distingue diff´erents types de r´eservoirs g´eochimiques selon les plan`etes (telluriques, gazeuses, lunes...).
Fig.1.11 – Repr´esentation sch´ematique de la structure interne actuelle des plan`etes telluriques et de la Lune (Illustration credit : NASA)
La Terre est divis´ee en unit´es physiques distinctes avec, `a son centre un noyau interne m´etallique solide entour´e d’un noyau externe m´etallique liquide. Le noyau est envelopp´e par un manteau silicat´e puis par une croˆute oc´eanique et une croˆute continentale. La Terre est caract´eris´ee par la pr´esence `a sa surface d’oc´eans et d’une atmosph`ere gazeuse. La struc- ture interne de la Terre est principalement connue par les donn´ees sismiques qui permettent d’oberver de fa¸con indirecte les fronti`eres entre les r´eservoirs terrestres. Les vitesses des ondes sismiques ´etant fonction de la densit´e des mat´eriaux travers´es, il est possible, par des mod`eles d’inversion, d’avoir une id´ee de la composition chimique des r´eservoirs travers´es (Mattern et al., 2005). La tomographie sismique est un outil essentiel pour obtenir une image de la structure interne de la Terre (mod`ele PREM). Cependant, il est encore impossible d’avoir de telles donn´ees sur d’autres plan`etes.
Les structures internes des autres plan`etes sont estim´ees grˆace `a l’´etude de leurs mo- ments d’inertie et de leurs ´eventuels champs magn´etiques. Ainsi, les plan`etes telluriques du syst`eme solaire (Mercure, V´enus, Mars, Lune) poss`ederaient toutes un noyau m´etallique plus dense (Fig. 1.11). Parmi ces objets, nous poss´edons seulement des ´echantillons des enveloppes sup´erieures de la Terre, de la Lune (missions Apollo et rares m´et´eorites lunaires) et de Mars
1.3. MOD `ELES INTERNES DES OBJETS DU SYST `EME SOLAIRE 25 (m´et´eorites Shergottites-Nakhlites-Chassignites (S.N.C.) et ALH 84001).
Des analyses chimiques pr´ecises de ces ´echantillons en laboratoires permettent de dater les grands ´ev`enements de ces plan`etes tels que leurs diff´erenciations. La s´eparation manteau- noyau peut ˆetre dat´ee par le couple Pb/Pb. Lors de la formation du noyau terrestre, l’uranium (lithophile) et le plomb (sid´erophile) ont ´et´e fractionn´es laissant un manteau enrichi en ura- nium produisant plus de plomb radiog´enique. Lorsque l’on reporte des mesures d’´echantillons terrestres (laves, s´ediments) dans le diagramme 207Pb/204Pb=f(206Pb/204Pb), ils s’alignent sur un isochrone de 4.45 Ga. La s´eparation du noyau terrestre est donc ant´erieure `a 100 Ma apr`es la formation de la Terre. La s´eparation manteau-noyau a aussi pu ˆetre dat´ee grˆace `a la radioactivit´e ´eteinte du182Hf qui produit du 182W avec une p´eriode de 9 Ma. L’hafnium est un ´el´ement lithophile que l’on retrouve ainsi dans les roches silicat´ees alors que le tungst`ene est un ´el´ement sid´erophile qui se retrouve donc dans le noyau m´etallique. Si ce fractionnement a lieu pendant la dur´ee de vie de182Hf, le r´eservoir silicat´e se distinguera par un exc`es en 182W radiog´enique et ainsi par un rapport182W/184W ´elev´e. Les mesures g´eochimiques par la m´ethode Hf/W pr´edisent une diff´erenciation de la Terre en moins de 60 Ma (Yin et al., 2002; Kleine et al., 2002; Touboul et al., 2007).
1.3.2
Mod`eles internes des plan`etes gazeuses
Les structures internes des plan`etes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune) sont estim´ees principalement grˆace `a des exp´eriences `a hautes pressions en laboratoires et `a des analyses spectroscopiques et in situ par t´el´escopes et satellites des niveaux sup´erieurs de leurs atmosph`eres. Enfin, les missions satellitales (Pioneer et Voyager) permettent de mesurer leurs masses, rayons et moments gravitationnels. Ainsi, les structures internes des plan`etes gazeuses du syst`eme solaire sont divis´ees en trois r´egions distinctes. Jupiter et Saturne cont constitu´ees d’un noyau dense rocheux, d’une couche d’hydrog`ene m´etallique et d’une couche d’hydrog`ene gazeux. Uranus et Neptune sont elles aussi compos´ees de 3 couches de natures diff´erentes : un noyau central rocheux, une couche de glace et une enveloppe d’Hydrog`ene et d’H´elium gazeux. Les proportions de ces enveloppes sont r´epertori´ees dans la Figure 1.12. Les compositions chimiques des plan`etes gazeuses du syst`eme solaire sont faiblement contraintes. La d´ecouverte
de plan`etes g´eantes extra-solaires laisse cependant entrevoir des progr`es significatifs dans la compr´ehension de leurs structures et de leurs formations (Guillot, 1999).
Fig. 1.12 – Repr´esentation sch´ematique de la structure interne actuelle de Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. (D’apr`es (Guillot, 1999))
1.3.3
Mod`eles internes de deux satellites de Jupiter : Callisto et Ganym`ede
Callisto et Ganym`ede, les deux plus grands satellites de Jupiter ont des rayons et des masses similaires et leurs int´erieurs sont compos´es d’un m´elange de glaces et de roches. Les estimations de leurs moments d’inertie par la mission Galileo (Anderson et al., 1998, 2001) sugg`erent que Callisto est partiellement diff´erenci´ee, avec une proportion de roches croissante avec la profondeur caract´erisant un arrangement partiel de ses constituants. Ganym`ede quant `a elle semble compl`etement diff´erenci´ee en 3 couches majeures : un noyau m´etallique recouvert d’un manteau silicat´e puis d’une ´epaisse couche de glace d’eau (Anderson et al., 1996; Sohl
1.4. CONCLUSION 27