Étude expérimentale du système Fe-Si-C et application aux exoplanètes riches en carbone

Experimental study of the Fe-Si-C system and application to carbon rich exoplanet

• Auteur / Autrice : Francesca Miozzi Ferrini
• Direction : Guillaume Morard, Guillaume Fiquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 03/07/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Chrystèle Sanloup
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giovanna Tinetti, Sébastien Merkel, Pierre Beck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anat Shahar, James Badro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diagrammes de phases

Carbure de silicium

Rayons X -- Diffraction

Exoplanètes

Mots clés libres

Exoplanètes

Conditions extrêmes

Intérieur planétaire

Alliage métallique

Carbure de silicium

Diagrammes de phases

Exoplanets

Extrem conditions

Planetary interiors

Metal alloy

Silicon carbides

Phase diagrams

Résumé

Plus de 4000 exoplanètes ont été découvertes, orbitant autour d’étoiles ayant différentes compositions. Ces exoplanètes sont détectées et étudiées par observations indirectes qui, dans de nombreux cas, donnent accès aux propriétés principales des planètes: leurs masses et leurs rayons. Ces paramètres peuvent être calculés à partir d’un modèle et comparés à ceux observés. Toutefois, cela est plus difficile pour des planètes qui orbitent autour d’étoiles ayant une composition chimique différente du Soleil, par exemple enrichie en carbone, car les propriétés physiques des carbures (i.e. carbures de silicium ou de fer) sont inconnues. Dans cette étude les systèmes Si-C et Fe-Si-C ont été étudiés entre 20 et 200 GPa et 300-3000 K, en utilisant la diffraction de rayons x et l’analyse chimique des échantillons récupérés pour déterminer les propriétés physiques dans des conditions extrêmes. Dans le système Si-C les équations d’états et les modèles thermiques pour les deux phases de basse et haute pression ont été déterminés. Les résultats ont ensuite été utilisé pour calculer la relation masse-rayon de planètes synthétiques ayant un noyau de fer et un manteau de SiC. Concernant le système Fe-Si-C le diagramme de phase ternaire a été reconstruit. En faisant l’hypothèse d’une composition Fe-Si-C pour un noyau planétaire, quatre différentes séquences de cristallisation ont été démontrées, déterminant des comportements dynamiques très diffèrent. En conclusion la relation masse-rayon n’est pas suffisante pour déterminer la composition et la structure interne des exoplanètes observées mais des données relatives à la chimie du système planétaire sont requises.

More than 4000 exoplanets have been discovered, orbiting around stars with a wide variety of composition. Such planets are detected and studied through indirect methods that in many cases give access to the main properties of the planets: mass and radius. The same parameters can be calculated from a chosen model and compared to the observed ones. However it is difficult for planets orbiting around stars with compositions very different from our Sun, for example carbon enriched, as the physical properties carbides (i.e. silicon carbides and iron carbides) at extreme pressure are unknown. In this work the Si-C and Fe-Si-C systems were studied in the range between 20 and 200 GPa and 300-3000 K employing X-ray diffraction and chemical analyses on the recovered samples were used to determine the physical properties at extreme conditions. In the Si-C system the equations of state and thermal model for both the low pressure and high pressure phases were determined. The results were then used to model a mass radius plot for different archetypal planets with a Fe core and SiC mantle. Regarding the Fe-Si-C system a ternary phase diagram was reconstructed up to 200 GPa and 3000 K. Assuming Fe-Si-C as main component of planetary cores, four different crystallization paths are individuated, giving rise to way different dynamical behaviour. We conclude that using only mass radius relations is not sufficient to determine the interior composition and structure of an observed exoplanet and further data relative to the chemistry are needed, for example the composition of the host star.