ANR OSSO BUCO

Outer Solar System Objects with large Bulk Carbon COntent

Financement : ANR PRC, (référence 270840)

Coordinateur: Bruno Reynard, LGL-TPE

Établissement porteur : CNRS

Durée : 2024 – 2027

Résumé du projet

Les lunes et les planètes naines ont été témoins des premières étapes de la formation du système solaire externe. Les compositions classiques, un mélange silicate-sulfure de fer, sont incompatibles avec les faibles densités déduites pour le noyau rocheux (2400-2500 kg/m3) de Titan, Encelade, Dione et Cérès. Nous avons proposé que les compositions incluant le composant carbone fournissent un modèle viable pour les faibles densités des noyaux réfractaires. Les modèles indiquent des fractions de matière organique riche en carbone allant jusqu’à 25 % en poids (~40 % en volume) dans les noyaux réfractaires, ce qui donne des rapports C/Si et C/O proches de ceux du Soleil.

La formation de petites planètes riches en carbone est un scénario jusqu’ici inexploré. L’évolution métamorphique et thermique d’un noyau riche en carbone diffère de celle d’un noyau de silicate-sulfure. Il peut libérer des fluides riches en carbone dans les couches glacées externes et peut alimenter une activité prébiotique, une étape cruciale pour l’origine de la vie si des planètes naines comme Cérès ont été accrétées à la Terre dans le vernis tardif. Avec cette composante majeure riche en carbone, la structure actuelle des grands objets du système solaire externe est liée 1) à la composition par le biais des rapports C/Si (le rapport entre la matière carbonée et les silicates-sulfures dans le noyau) et C/O (avec l’oxygène provenant des silicates et de la glace dans le corps planétaire), et 2) à l’augmentation de la densité associée aux réactions se produisant à température croissante dans la matière carbonée. Nous proposons une approche expérimentale et géodynamique pour explorer la gamme de composition plausible et l’évolution thermique de ces corps riches en carbone, et proposer des observables permettant de définir les modèles les plus valides et définir les conditions de formation de ces corps dans la nébuleuse, entre lignes de “glace” et de “suie”.

 

The moons and dwarf planets witnessed the early stages of formation of the outer Solar system. Classical silicate-iron sulfide mixture densities are inconsistent with low densities inferred for the rocky core (2400-2500 kg/m3) of Titan, Enceladus, Dione, and Ceres. We recently proposed that compositions including the overlooked, abundant carbon component provide a viable model for the low densities of refractory cores. Models point to fractions of C-rich organic matter up to 25 wt% (~40% in volume) in the refractory cores, resulting in close to Solar C/Si and C/O ratios.

Forming small carbon-rich planets is a so-far unexplored scenario. Metamorphic and thermal evolution of a C-rich core differs from that of a silicate-sulfide core. It can release C-rich fluids to outer icy layers, and may fuel prebiotic activity, a crucial step to the origin of life if dwarf planets like Ceres accreted to Earth as a late veneer. With this major carbon-rich component, the present structure of large outer Solar system objects is tied to 1) composition through the C/Si (the carbonaceous matter to silicate-sulfide ratio in the core) and C/O ratios (with oxygen from the silicate and ice fraction in the planetary body), and 2) density increase associated with reactions occurring at increasing temperature in carbonaceous matter and silicates in the 600-1200 K range. We propose a coupled experimental and geodynamic approach to explore the density and reactions of carbon and silicate-sulfide, and the plausible compositional range and thermal evolution of these carbon-rich bodies. The models will be used to propose observations to test them and define the conditions of formation of dwarf planets and moons in the solar nebula, such as their position with respect to the so-called “snow” and “soot” lines.