Une étude, dont les résultats intitulés «Continent-sized anomalous zones with low seismic velocity at the base of Earth's mantle» ont été publiés dans la revue Nature Geoscience, permet de faire le point sur nos connaissances concernant les cryptocontinents, ces structures au sein du manteau de la Terre, révélées par la tomographie sismique *.

Rappelons tout d'abord que la tomographie sismique est une méthode géophysique utilisant l'enregistrement de l'arrivée des ondes sismiques émises lors de tremblements de terre pour imager l'intérieur de la Terre à l'instar de ce qui se fait dans le cadre de l'imagerie médicale. C'est ainsi qu'il est aujourd'hui possible de visionner «les mouvements de convection au sein du manteau, ainsi que les morceaux de plaques lithosphériques qui s’y engloutissent».

Dans le cadre de cette méthode, les anomalies dans les vitesses des ondes sismiques ont conduit à identifier «la présence dans le manteau inférieur, au voisinage de l’interface entre le noyau et le manteau, de deux masses importantes dont la température est plus élevée que celle des roches environnantes».

Ces deux masses, qui sont «situées sous l’Afrique et le Pacifique, à environ 2.900 kilomètre de profondeur» et «s’étendent sur plusieurs milliers de kilomètres», baptisées 'cryptocontinents' par certains, ont «reçu le nom de Grandes provinces d'anomalies des vitesses sismiques d'ondes de cisaillement, ou LLSP, pour Large Low Shear Velocity Provinces (LLSVP)». Leur température est plus élevée, car «les ondes sismiques s’y propagent plus lentement».

Du fait de leur température différente, on pourrait supposer «que ces zones du manteau ne sont pas stables et qu’elles devraient s’élever, tel des panaches mantelliques». Comme ce n’est pas ce qui est observé, l'hypothèse avancée est que ces masses ont une composition chimique différente qui les rend «plus denses que le manteau environnant».

Alors que l'origine de ces 'cryptocontinents' est pour le moment encore une énigme, l'étude ici présentée fait le point sur les recherches en cours. Des hypothèses alternatives sont présentées: soit «il pourrait s’agir de zones dans lesquelles se sont accumulés des restes de plaques océaniques subductées depuis des centaines de millions, voire des milliards, d’années», soit ces masses pourraient «être des restes du manteau datant d’il y a presque 4,5 milliards d’années, juste après la formation de la Terre, plus exactement d’une portion cristallisée de son ancien océan magmatique».

En tout cas, il apparaît «que la stabilité de ces cryptocontinents en font des points d'ancrage de certains panaches mantelliques à l’origine de points chauds, tels ceux d’Hawaï ou de Tahiti».

Lien externe complémentaire (source Wikipedia)

* Tomographie sismique

Une étude, dont les résultats intitulés «Accretion of Phobos and Deimos in an extended debris disc stirred by transient moons» sont publiés dans la revue Nature Geoscience, et disponibles en pdf, a permis, grâce à des simulations numériques de pointe, de montrer comment Phobos et Deimos, les deux petits satellites naturels de Mars, ont pu se former à partir des débris d’une collision titanesque entre Mars et un embryon de planète trois fois plus petit.

Notons tout d'abord qu'une étude complémentaire intitulée «Reconciling the orbital and physical properties of the martian moons», à paraître dans la revue The Astrophysical Journal, exclue, «sur la base d’arguments statistiques et en se fondant sur la diversité de composition des astéroïdes», l'hypothèse que Phobos et Deimos soient des astéroïdes capturés par Mars et aboutit à la conclusion que «le seul scénario compatible avec les propriétés de surface de Phobos et Deimos est celui d’un impact géant» (en effet, ce travail complémentaire montre, en particulier, «que la signature lumineuse émise par Phobos et Deimos est incompatible avec celle du matériau primordial qui aurait pu former Mars», autrement dit «des météorites de la classe des chondrites ordinaires, des chondrites à enstatite et/ou des angrites»).

En ce qui concerne l'étude ici présentée, pour la première fois, elle propose «un scénario complet et cohérent de formation de Phobos et Deimos, qui seraient nés des suites d’une collision entre Mars et un corps primordial trois fois plus petit, 100 à 800 millions d’années après le début de la formation de la planète».

Plus précisément, les débris de cette collision auraient tout d'abord «formé un disque très étendu autour de Mars, formé d’une partie interne dense, composée de matière en fusion et d’une partie externe très fine, majoritairement gazeuse». Une lune, «mille fois plus massive que Phobos» et aujourd’hui disparue, se serait alors formée «dans la partie interne de ce disque» et cet astre massif aurait produit des perturbations gravitationnelles dans le disque externe qui «auraient catalysé l’assemblage de débris» pour former en quelques milliers d’années une dizaine de petites lunes plus lointaines.

Enfin, une fois le disque de débris dissipé «plusieurs millions d’années plus tard», en raison des effets de marée avec Mars, «la plupart de ces satellites, dont la très grosse lune» sont retombés sur la planète, à l'exception des «deux petites lunes les plus lointaines, Phobos et Deimos».

Comme «à cause de la diversité des phénomènes physiques mis en jeu, aucune simulation numérique n’est capable de modéliser l’ensemble du processus», cette étude a dû «combiner trois simulations de pointe successives pour rendre compte de la physique de l'impact géant, de la dynamique des débris issus de l'impact et de leur assemblage pour former des satellites, et enfin de l'évolution à long terme de ces satellites».

Soulignons pour finir que la théorie de l’impact géant peut expliquer l'altitude plus basse de l’hémisphère nord de Mars par rapport à l’hémisphère sud : en effet, le bassin boréal est sans doute «la trace d’un impact géant, comme celui qui a in fine donné naissance à Phobos et Deimos». En outre, cette théorie permet «de comprendre pourquoi Mars a deux satellites et non un seul comme notre Lune, aussi née d’un impact géant», car les simulations suggèrent «que les systèmes de satellites formés dépendent de la vitesse de rotation de la planète» («à l’époque la Terre tournait très vite sur elle-même (en moins de quatre heures) alors que Mars tournait six fois plus lentement»).

Une étude, dont les résultats intitulés «The first low-mass black hole X-ray binary identified in quiescence outside of a globular cluster» ont été publiés dans la revue The Astrophysical Journal et sont disponibles en pdf sur arxiv.org, a permis de découvrir que la source VLA J213002.08+120904 (VLA J2130+12 en abrégé), supposée être l'émission radio d’une lointaine galaxie, était en réalité un système binaire contenant un trou noir stellaire situé à environ 7.200 années-lumière du Système solaire.

Indiquons tout d'abord que la source VLA J2130+12 avait été détectée «il y a une vingtaine d’années au voisinage d’un amas globulaire sur la voûte céleste du nom de M15». Aujourd'hui, c'est la combinaison des observations «dans le domaine des rayons X avec Chandra, dans le domaine du visible avec Hubble et dans le domaine des ondes radio avec plusieurs radiotélescopes dont le Very Large Array (VLA), ceux d’Arecibo et de Green Bank» qui a conduit à lui attribuer une nouvelle identité.

En fait, le trou noir stellaire du système binaire VLA J2130+12 accrète très peu de matière ce qui le rend «très peu lumineux dans le domaine des rayons X et donc quasiment indétectable». Néanmoins, cette quantité restreinte de rayons X a été suffisante pour que l’analyse de son spectre amène à conclure «à l’existence d’un trou noir et pas d’une étoile à neutrons ou d’une naine blanche accrétant elle aussi de la matière». De leur côté, les observations d'Hubble indiquent que «la matière tombant sur le trou noir proviendrait d’une étoile dont la masse serait de un dixième à un cinquième de la masse du Soleil».

Il ressort de ces informations que ce système binaire, bien qu’un peu en dehors du disque galactique de la Voie lactée, «y est probablement né». Comme sa détection s'est faite dans le cadre «d’un programme d’étude d’une petite portion de la voûte céleste», on peut en déduire qu'il existe «bien d’autres systèmes binaires de ce genre très peu lumineux dans le domaine des rayons X»: ainsi, l'étude estime que, statistiquement, il pourrait y avoir «des dizaines de milliers voire des millions de trous noirs de ce type» dans la Voie lactée, «soit de trois à des milliers de fois plus que ce que l’on imaginait à partir des études précédentes».

Une étude, dont les résultats intitulés «The first gravitational-wave source from the isolated evolution of two stars in the 40–100 solar mass range» sont publiés dans la revue Nature et disponibles en pdf sur arxiv.org, a permis de proposer, à l’aide de simulations numériques, une nouvelle hypothèse concernant le scénario qui a conduit la détection par LIGO le 14 septembre 2015, de l'onde gravitationnelle correspondant à l'événement baptisé GW150914 (GW pour Gravitational Wave, en anglais).

Rappelons tout d'abord que cet événement «fut provoqué par la fusion de deux trous noirs stellaires» de «36 masses solaires pour l’un et 29 pour le second». Comme ces trous noirs stellaires battent les records déduits «des quelques cas de trous noirs stellaires plutôt solidement établis», pour en expliquer l'origine, l'étude ici présentée, dans une simulation de la naissance des premières étoiles de l'univers, considère que ces étoiles «ne devaient pas se former exactement de la même manière que notre Soleil car le milieu interstellaire était alors beaucoup moins riche en éléments lourds».

Elle prend ainsi en compte qu'au moment de la naissance des toutes premières étoiles le milieu interstellaire était totalement dépourvu d'éléments lourds et que «ces étoiles devaient être massives, de l’ordre d’une centaine de masses solaires». C'est ainsi, que la formation «du système binaire de trous noirs à l’origine de GW150914» a été reproduite en partant d'étoiles «de masses comprises entre 40 et 100 masses solaires à partir d’une poche de matière primitive contenant moins de 10 % de la quantité d’élément lourds (autre que l’hydrogène et l’hélium, pour un astrophysicien) du nuage à l’origine du Soleil».

Les calculs indiquent que cette formation a eu lieu «environ deux milliards d’années après le Big Bang». Les simulations décrivent le scénario suivant. La première étoile, «avec une masse d’environ 100 fois celle du Soleil, contre environ 60 pour sa compagne», va «enfler, jusqu’à atteindre le lobe de Roche du système, de sorte que les forces de marée de la seconde lui arrachent de la matière».

Devenue moins massive, «la première étoile s’effondre en trou noir» sans donner de supernova (environ quatre millions d’années seulement après la naissance du système de ces deux étoiles) tandis que «la seconde ayant vu sa masse augmenter», va, dans le cadre de son évolution, «se dilater à son tour jusqu’à ce que son enveloppe avale le premier trou noir».

Comme «ces processus s’accompagnent de pertes de masses sous forme de vent stellaire», lorsque la seconde étoile «devient à son tour un trou noir» (probablement un million d’années après la première) la masse des deux objets compacts «est plus faible que celle des deux étoiles initiales». L'histoire est ensuite «plus calme, au moins durant presque 11 milliards d’années, avec l’émission d’ondes gravitationnelles qui va lentement réduire la taille de l’orbite des deux corps jusqu’au bouquet final il y a environ 1,4 milliard d’années à l’origine de GW150914».

L'intérêt de ce scénario est dans ses conséquences pour eLigo: en effet, «quand cet instrument atteindra sa pleine sensibilité, il devrait logiquement détecter environ mille fusions de trous noirs stellaires par an, ayant des masses comprises entre 20 et 80 fois celle du Soleil».

Une étude, dont les résultats intitulés «Dynamic X-ray diffraction observation of shocked solid iron up to 170 GPa» ont été publiés dans la revue PNAS, a permis de prouver expérimentalement la pertinence de l’utilisation de la compression par laser pour étudier les intérieurs planétaires.

Rappelons tout d'abord que «le champ magnétique des planètes telluriques dépend des propriétés à haute pression et température des matériaux qui composent leur noyau». Pour ce qui concerne l'intérieur de notre planète, «les conditions de pression et de température sont telles que son cœur, composé majoritairement de fer, est constitué à la fois d’une enveloppe liquide et d’une graine solide» et c'est la couche liquide, conductrice et convective, qui «par effet dynamo associé à la rotation de la Terre et à la dissipation de chaleur d’origine interne» est la source du champ magnétique terrestre.

Actuellement, «le comportement du fer, qui compose majoritairement le noyau de la Terre, est largement étudié par différentes techniques» qui ne donnent cependant pas accès à la température, «qui est un paramètre capital pour certains processus comme le flux de chaleur entre le noyau et le manteau profond, le taux de recristallisation de la graine, l’entretien de la géodynamo». Or «la chaleur provenant du noyau est essentielle car elle influence la nature des mouvements convectifs dans le manteau, responsables de la tectonique des plaques et permet d’entretenir le champ magnétique terrestre».

Comme les données sur le diagramme de phase du fer, issues de nombreux travaux, aussi bien expérimentaux que théoriques, menés depuis plus de vingt ans, «apparaissent aujourd’hui contradictoires dès que la pression dépasse le mégabar», l'étude ici présentée, en vue de s’approcher au plus près des conditions réelles de pression et de température extrêmes, a employé une nouvelle méthode expérimentale «couplant diffraction X et compression par onde de choc créée à l’aide d’un laser de puissance».

Les expériences «ont été réalisées à la fois sur les installations laser GEKKO XII de l’Université d’Osaka et LULI2000 de l’Ecole Polytechnique» en utilisant «un dispositif expérimental inédit qui a permis, entre autre, de collecter pour la première fois du signal diffracté par le fer hautement comprimé pendant le temps très court (1 nanoseconde = 1 milliardième de seconde)».

C'est ainsi que «du fer solide dans sa phase dite 'hcp' (hexagonal closed packed, empilement atomique hexagonal compact)» a pu être observé «à des pressions supérieures à 1,7 mégabar (1 million 700 mille fois la pression atmosphérique) et des températures de 4150 degrés (K) dans une région du diagramme de phase encore quasiment inexplorée».

Cette étude, qui démontre clairement la faisabilité de telles expériences et confirme «la pertinence de l’utilisation de la compression par laser pour étudier les intérieurs planétaires», permet, en outre, de valider ou à l’inverse d’infirmer les précédentes études contradictoires, grâce à l'obtention de «la structure du fer hautement comprimé juste avant sa fusion».