Des scientifiques créent une étrange glace superionique qui pourrait expliquer l'intérieur de Neptune et Uranus

Au plus profond de Neptune et d'Uranus, l'eau n'a rien de la substance qui remplit un bac à glaçons. Sous les pressions et températures colossales de l'intérieur de ces planètes, elle entre dans un état bizarre connu sous le nom de glace superionique — une phase dans laquelle les atomes d'oxygène se figent dans un réseau solide rigide tandis que les noyaux d'hydrogène dérivent à travers ce réseau comme un liquide. Parce que ces noyaux d'hydrogène mobiles peuvent porter une charge, le matériau conduit l'électricité, une propriété qui pourrait être liée aux étranges champs magnétiques enveloppant les deux géantes de glace.

Les chercheurs savent depuis longtemps que cette glace chaude et conductrice devrait exister. Ce qu'ils ignoraient, c'était exactement quelles structures cristallines elle adopte dans les conditions planétaires. Comme aucune sonde ne peut extraire un échantillon de Neptune et le rapporter sur Terre, une équipe dirigée par Alexis Forestier au CEA, le Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, a fait la meilleure chose suivante : elle a reconstitué ces conditions extrêmes en laboratoire et a observé le comportement de la glace.

Reconstituer en miniature l'intérieur d'une géante de glace

L'approche expérimentale de l'équipe reposait sur un dispositif appelé cellule à enclumes de diamant, qui piège un échantillon microscopique entre deux pointes de diamant ultra-dures avant de les comprimer l'une contre l'autre. Cette configuration permet aux chercheurs de générer des pressions qui n'existent nulle part naturellement à la surface de la Terre. Dans ce cas, les scientifiques ont poussé leurs échantillons de glace jusqu'à 230 gigapascals — plus de deux millions de fois la pression de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer.

La pression seule ne constituait que la moitié de la recette. Pour imiter la chaleur brûlante d'un intérieur planétaire, les chercheurs ont tiré des lasers sur la glace piégée, élevant sa température au-delà de 1 800 kelvins. À cette combinaison de force écrasante et de chaleur extrême, l'échantillon est entré dans le régime superionique.

Pour déterminer ce qui se passait à l'intérieur de la minuscule cellule, l'équipe s'est tournée vers la diffraction des rayons X à l'Installation européenne de rayonnement synchrotron. Cette technique révèle comment les atomes s'organisent en mesurant la façon dont les rayons X se diffusent sur l'échantillon, donnant effectivement aux scientifiques une image du réseau cristallin sans jamais le toucher. Les résultats, publiés dans la revue à comité de lecture Physical Review Letters, ont montré quelque chose que les chercheurs n'avaient pas réussi à établir auparavant.

Un matériau à la double personnalité

La glace superionique est remarquable parce qu'elle se comporte comme deux états de la matière à la fois. Ses atomes d'oxygène occupent des positions fixes, formant un squelette cristallin qui reste en place. Pendant ce temps, les noyaux d'hydrogène — les protons qui seraient normalement liés dans des molécules d'eau — deviennent mobiles, migrant à travers la charpente d'oxygène à la manière dont les ions se déplacent dans un électrolyte liquide.

Cette division du travail est ce qui rend la phase si inhabituelle. Le réseau d'oxygène solide confère au matériau une structure et une forme définies, tandis que l'hydrogène en circulation fournit la conductivité électrique. Dans un intérieur planétaire, une couche d'un tel matériau pourrait se comporter très différemment de la glace d'eau ordinaire, modifiant la façon dont la chaleur se déplace, dont le matériau se déforme au fil du temps et dont les courants électriques circulent.

Jusqu'à présent, cependant, les scientifiques n'avaient pas de réponse claire sur la géométrie de ce squelette d'oxygène. Différents arrangements cristallins — cubique, hexagonal et autres — impliquent des propriétés physiques différentes, de sorte qu'identifier le bon arrangement importe pour tout modèle de ce qui se passe à l'intérieur d'une géante de glace.

L'empilement hexagonal prend le dessus à pression extrême

Les mesures au synchrotron ont fourni une réponse définitive pour les conditions testées. Au-dessus d'environ 200 gigapascals et 1 800 kelvins, les atomes d'oxygène se sont installés dans un arrangement hexagonal compact, abrégé hcp. Dans cette fenêtre pression-température, cette forme hexagonale est devenue la phase dominante de la glace superionique, détrônant la structure cubique à faces centrées, ou fcc, que l'on s'attendait à voir prévaloir.

Les auteurs ont été explicites sur la portée de cette découverte, écrivant qu'ils rapportent « l'observation sans ambiguïté d'une nouvelle phase de glace H2O adoptant un sous-réseau d'oxygène hcp ». Autrement dit, il ne s'agit pas d'un simple raffinement d'une image existante, mais de l'identification d'un arrangement distinct des atomes d'oxygène de l'eau dans des conditions pertinentes pour de vraies planètes.

La découverte est issue de deux séries expérimentales distinctes, et l'équipe a reporté ses mesures sur un diagramme pression-température montrant exactement où chaque phase apparaît. Ce type de carte des frontières est ce qui permet à d'autres chercheurs de prédire quelle version de la glace devrait être stable à une profondeur donnée à l'intérieur d'une planète.

Pourquoi la structure cristalline pourrait compter pour les champs magnétiques

Le bénéfice pratique de ce travail réside dans la science planétaire. Neptune et Uranus sont toutes deux classées comme géantes de glace, et toutes deux possèdent des champs magnétiques bien plus complexes que celui de la Terre. Leurs champs ne sont pas alignés proprement sur les axes de rotation des planètes, et l'environnement magnétique qui les entoure est chaotique comparé au dipôle bien ordonné qui protège notre propre planète.

Une explication principale fait intervenir les couches profondes de l'intérieur où la glace superionique est censée exister. Parce que le matériau conduit l'électricité, des courants en mouvement en son sein pourraient générer des champs magnétiques. La structure cristalline précise de la glace affecte la facilité avec laquelle le courant circule et dans quelles directions, de sorte que déterminer si le réseau d'oxygène est hexagonal ou cubique modifie les paramètres d'entrée de ces modèles.

En établissant que la glace hcp domine au-dessus de 200 gigapascals et 1 800 kelvins, l'équipe dirigée par le CEA a donné aux théoriciens une base plus solide pour simuler les intérieurs de ces mondes lointains — et pour expliquer pourquoi leurs champs magnétiques se comportent comme ils le font.

Des questions qui restent ouvertes

L'expérience capture une tranche spécifique de l'espace pression-température, générée sur de courtes échelles de temps en laboratoire dans des échantillons bien plus petits qu'une planète. Combler cet écart jusqu'aux intérieurs planétaires complets nécessite de la modélisation, et le diagramme pression-température de l'équipe se comprend mieux comme un guide pour cette modélisation que comme une description complète de Neptune ou d'Uranus.

Néanmoins, le résultat affine une image qui était floue. Les scientifiques disposent désormais de preuves directes de la structure cristalline que l'eau superionique privilégie dans les conditions des géantes de glace, et ils ont une cible claire pour la prochaine série d'expériences et de simulations.

Points clés à retenir

• Une équipe dirigée par Alexis Forestier au CEA en France a reconstitué en laboratoire les conditions de l'intérieur d'une géante de glace à l'aide d'une cellule à enclumes de diamant.
• La glace a été chauffée au-delà de 1 800 kelvins et soumise à des pressions allant jusqu'à 230 gigapascals, plus de deux millions de fois la pression atmosphérique terrestre.
• La diffraction des rayons X à l'Installation européenne de rayonnement synchrotron a montré que les atomes d'oxygène forment un réseau hexagonal compact.
• Au-dessus d'environ 200 gigapascals et 1 800 kelvins, cette phase hexagonale est devenue dominante, remplaçant la phase cubique à faces centrées.
• Les résultats, publiés dans Physical Review Letters, pourraient aider à expliquer les champs magnétiques inhabituels et les couches profondes de l'intérieur de Neptune et d'Uranus.

Cet article est basé sur un reportage de Phys.org. Lire l'article original.