Comment le silicium contrôle le régime de cristallisation du noyau de Mercure

Parmi les planètes du système solaire, Mercure est la plus proche du Soleil et également la plus réduite. L’environnent de formation de Mercure est appauvri en oxygène et des conditions de formation si réductrices entraînent la présence de quantités importantes de silicium (Si) allié au fer (Fe) dans son noyau. Jusqu’à présent, le diagramme de phase1 du système Fe-FeSi demeurait mal contraint aux conditions de hautes pressions et hautes températures régnant au centre de Mercure.

Des chercheurs de l’IMPMC (Sorbonne Université/CNRS/MNHN) et leurs collaborateurs sont parvenus à reconstituer ce diagramme. L’équipe a étudié plusieurs alliages Fe-Si, in situ, à haute pression et haute température en utilisant des cellules à enclume de diamant chauffées au laser et la diffraction des rayons X. Ces mesures ont été complétées par une analyse ex situ d'échantillons récupérés via imagerie et analyse chimique utilisant la microscopie électronique à balayage afin de fournir une description claire de la structure et de la composition des alliages Fe-Si aux conditions du noyau de Mercure. Sous haute pression, on observe à des températures proches de la fusion la stabilisation de différentes phases solides selon la composition initiale, et lors de la fusion, les alliages étudiés évoluent vers deux compositions de liquides distinctes, une riche et l’autre pauvre en Fe.

Ces mesures in situ combinées à l’analyse texturale et chimique ex situ des échantillons récupérés ont permis de construire le diagramme de phase du système Fe-Si en fonction de la pression, température et composition, en déterminant les phases solides stables ainsi que les relations de phases et les températures de fusion. Les nouvelles données indiquent deux régimes possibles de cristallisation du noyau de Mercure : pour une teneur en Si plus faible on peut envisager la formation d'un noyau interne solide avec une stratification structurelle, tandis qu’une teneur plus élevée en Si conduirait à la formation des cristallites flottants à l'intérieur du noyau liquide sans la présence d'un noyau interne solide.

• 1Représentation graphique des domaines de stabilité de l'état physique (ou phase) d'un système (corps pur ou mélange de corps purs), en fonction de variables thermodynamiques (ex. pression, température, composition chimique) choisies pour faciliter la compréhension des phénomènes étudiés.