Comment une forme conductrice de glace se forme à plusieurs milliers de degrés et des millions de fois la pression atmosphérique. —

Glace chaude?

La glace est froide. Au moins de la glace de type I provenant de notre congélateur, de la neige ou d’un lac gelé. Dans les planètes ou dans les appareils à haute pression de laboratoire, il existe différentes espèces de glace, de type VII ou VIII par exemple, qui existent à plusieurs centaines ou milliers de degrés Celsius. Cependant, cela n’est dû qu’à des pressions très élevées de plusieurs dizaines de gigapascals.

La pression et la température couvrent l’espace pour le soi-disant diagramme de phases d’une substance : en fonction de ces deux paramètres, les différentes manifestations de l’eau et les transitions entre les états solide, gazeux, liquide et hybride sont enregistrées ici – telles qu’elles sont théoriquement prédites. ou ont déjà fait leurs preuves dans des expériences.

Relier la physique fondamentale aux questions géologiques

Plus la pression et la température sont élevées, plus ces expériences sont difficiles. Et donc le diagramme de phase de l’eau – avec la glace comme phase solide – a encore quelques inexactitudes et incohérences dans les plages extrêmes.

“L’eau est en fait un composé chimique relativement simple constitué d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Néanmoins, avec son comportement souvent inhabituel, elle n’est pas encore totalement connue. Dans le cas de l’eau, les intérêts physiques et géoscientifiques fondamentaux se rejoignent car l’eau joue un rôle important à l’intérieur de nombreuses planètes. Non seulement en termes de formation de la vie et des paysages, mais – dans le cas des planètes gazeuses Uranus et Neptune – également pour la formation de leurs champs magnétiques planétaires inhabituels “, déclare Sergey Lobanov, géophysicien à GFZ Potsdam.

Des conditions uniques au laboratoire

Sergey Lobanov fait partie de l’équipe dirigée par le premier auteur Vitali Prakapenka et Nicholas Holtgrewe, tous deux de l’Université de Chicago, et Alexander Goncharov de la Carnegie Institution de Washington. Ils ont maintenant caractérisé davantage le diagramme de phase de l’eau à ses extrêmes. En utilisant des cellules d’enclume en diamant chauffées au laser – de la taille d’une souris d’ordinateur – ils ont généré des pressions élevées allant jusqu’à 150 Gigapascal (environ 1,5 million de fois la pression atmosphérique) et des températures allant jusqu’à 6 500 Kelvin (environ 6 227 degrés Celsius). Dans la chambre d’échantillonnage, qui ne mesure que quelques millimètres cubes, règnent alors des conditions qui se produisent à plusieurs milliers de kilomètres de profondeur à l’intérieur d’Uranus ou de Neptune.

Les scientifiques ont utilisé la diffraction des rayons X pour observer comment la structure cristalline change dans ces conditions. Ils ont réalisé ces expériences en utilisant les rayons X extrêmement brillants du synchrotron à l’Advanced Photon Source (APS) du Laboratoire national d’Argonne à l’Université de Chicago. Une deuxième série d’expériences au Earth and Planets Laboratory de la Carnegie Institution de Washington a utilisé la spectroscopie optique pour déterminer la conductivité électronique.

Changements structurels de la glace lors de son passage dans l’espace des phases : formation de glace superionique

Les chercheurs ont d’abord produit de la glace VII ou X à partir d’eau à température ambiante en augmentant la pression à plusieurs dizaines de Gigapascal (voir le diagramme de phase). Et puis, à pression constante, ils ont augmenté la température en la chauffant avec une lumière laser. Au cours du processus, ils ont observé comment la structure de la glace cristalline changeait : premièrement, les atomes d’oxygène et d’hydrogène se déplaçaient un peu autour de leurs positions fixes. Alors seul l’oxygène est resté fixe et a formé son propre réseau cristallin cubique. Au fur et à mesure que la température s’élevait, l’hydrogène s’ionisait, c’est-à-dire cédait son seul électron au réseau d’oxygène. Son noyau atomique – un proton chargé positivement – a ensuite filé à travers ce solide, le rendant électriquement conducteur. De cette manière, un hybride de solide et de liquide est créé : la glace superionique.

Son existence a été prédite sur la base de divers modèles et a déjà été observée à plusieurs reprises dans des conditions de laboratoire. Les scientifiques ont maintenant pu synthétiser et identifier deux phases de glace superionique – la glace XVIII et la glace XX -, et délimiter les conditions de pression et de température de leur stabilité. “En raison de leur densité distincte et de leur conductivité optique accrue, nous attribuons les structures observées aux phases de glace superioniques théoriquement prédites”, explique Lobanov.

Conséquences pour l’explication du champ magnétique d’Uranus et de Neptune

En particulier, la transition de phase vers un liquide conducteur a des conséquences intéressantes sur les questions ouvertes entourant le champ magnétique d’Uranus et de Neptune, qui sont vraisemblablement constitués de plus de soixante pour cent d’eau. Leur champ magnétique est inhabituel en ce sens qu’il n’est pas quasi parallèle et symétrique à l’axe de rotation – comme c’est le cas sur Terre – mais qu’il est asymétrique et décentré. Les modèles de sa formation supposent donc qu’il n’est pas généré – comme sur Terre – par le mouvement du fer en fusion dans le noyau, mais par un liquide conducteur riche en eau dans le tiers externe d’Uranus ou de Neptune.

“Dans le diagramme de phase, nous pouvons dessiner la pression et la température à l’intérieur d’Uranus et de Neptune. Ici, la pression peut être grossièrement prise comme une mesure de la profondeur à l’intérieur. Sur la base des limites de phase raffinées que nous avons mesurées, nous voyons que environ le tiers supérieur des deux planètes est liquide, mais les intérieurs plus profonds contiennent des glaces superioniques solides. Cela confirme les prédictions sur l’origine du champ magnétique observé », résume Lobanov.

Perspectives

Le géophysicien souligne que d’autres investigations pour mieux clarifier la structure interne et le champ magnétique des deux planètes gazeuses seront menées au GFZ. Ici, en plus des cellules à enclumes en diamant déjà utilisées, il y a à la fois le laboratoire haute pression correspondant et l’équipement de mesure spectroscopique très sensible. Lobanov a mis en place ce dernier dans le cadre de son financement à la tête du Helmholtz Young Investigators Group CLEAR pour étudier les phénomènes de la Terre profonde avec des techniques de spectroscopie résolues en temps ultra-rapides non conventionnelles.

Le financement: Le travail de Sergey Lobanov a été soutenu dans le cadre du programme Helmholtz Young Investigators CLEAR (VH-NG-1325).