Des physiciens ont écrasé de l’eau entre deux pointes de diamant et l’ont portée à 2 630 K : la glace apparue oblige à revoir Uranus et Neptune

Une goutte d’eau de la taille d’un point sur cette page. Deux pointes de diamant pour la comprimer. Et un résultat qui pourrait forcer les astrophysiciens à revoir leurs équations sur deux planètes situées à des milliards de kilomètres de la Terre.

Une équipe menée par le physicien Alexis Forestier, du Commissariat à l’énergie atomique (CEA), a réussi à observer une forme de glace jamais clairement identifiée jusqu’ici dans l’eau. L’équipe a comprimé une goutte d’eau microscopique entre deux pointes de diamant, le seul matériau capable d’encaisser les pressions nécessaires, tout en la chauffant par laser à 2 630 kelvins (2 357 °C). De quoi vaporiser n’importe quel métal usuel à pression normale.

Mais l’eau n’est pas partie en fumée. À pression maximale, l’échantillon ne mesurait plus qu’une douzaine de micromètres, soit environ le dixième de l’épaisseur d’un cheveu, mais supportait 230 gigapascals (GPa), soit 2,3 millions de fois la pression atmosphérique au niveau de la mer. Pour situer l’ampleur de la chose, le centre de la Terre atteint les 360 GPa, une valeur comparable à la pression subie par le manteau profond d’Uranus. L’expérience recrée donc, dans un laboratoire de quelques mètres carrés, les conditions d’une planète géante.

Une glace qui n’a plus rien de familier

À ces niveaux de pression et de chaleur, l’eau change complètement de comportement. Les molécules H2O se dissocient : les atomes d’oxygène se figent dans une grille solide tandis que les noyaux d’hydrogène circulent librement à travers elle, comme un liquide, ce qui permet à l’ensemble de conduire l’électricité. Ce paradoxe, un solide qui se comporte à moitié comme un liquide, porte un nom : la glace superionique.

Son existence n’est pas une nouveauté en soi. Les scientifiques avaient prédit un tel état il y a plus de 30 ans, mais ce n’est qu’en 2018 qu’ils ont fourni les premières preuves solides en laboratoire. Ce qui manquait, c’était la précision. Personne n’avait encore réussi à déterminer avec certitude la géométrie exacte que prenait le réseau d’oxygène dans ces conditions extrêmes.

C’est là que l’expérience française change la donne. L’équipe a entouré l’eau de diamant dopé au bore absorbant le laser, et l’a sondée avec un faisceau de rayons X de moins d’un micromètre de large à l’European Synchrotron Radiation Facility, à Grenoble. Ce faisceau a permis de photographier, atome par atome, l’arrangement pris par l’oxygène pendant que l’hydrogène s’échappait autour.

Résultat : une structure hexagonale, baptisée hcp pour hexagonal close-packed. Jusqu’à présent, les modèles théoriques et les expériences précédentes tablaient presque exclusivement sur une organisation cubique. La diffraction des rayons X à l’ESRF a révélé que les atomes d’oxygène s’étaient organisés selon un motif hexagonal connu sous le nom de hexagonal close-packed (hcp). Une phase de plus dans un inventaire déjà impressionnant : l’eau solide existe sous plus d’une douzaine de structures différentes, plus ou moins cristallines, selon les conditions de pression et de température.

Pourquoi cela concerne Uranus et Neptune

Cette découverte n’aurait qu’un intérêt de laboratoire si elle ne touchait pas directement à l’un des grands mystères du système solaire. On soupçonne fortement que la glace superionique compose une part importante du manteau d’Uranus et de Neptune, deux planètes dont les champs magnétiques sont parmi les plus étranges du Système solaire : désaxés par rapport à leur axe de rotation, leurs magnétosphères sont complètement asymétriques.

Contrairement à la Terre, dont le champ magnétique provient d’un noyau métallique liquide bien compris, ces deux géantes glacées cachent un mécanisme encore flou. La communauté scientifique n’a pas encore réussi à les modéliser correctement, et la conductivité électrique de la glace superionique enfouie dans leurs manteaux est justement l’une des principales suspectes. Tous les modèles construits depuis des années reposaient sur l’hypothèse d’une glace cubique. Or, une structure hexagonale ne conduit pas forcément le courant de la même façon.

Si la phase hexagonale, désormais confirmée, ne conduit pas l’électricité comme la cubique sur laquelle reposent tous les modèles planétaires actuels, ces derniers partaient peut-être d’une hypothèse tronquée. des décennies de simulations informatiques sur l’intérieur d’Uranus et de Neptune pourraient devoir intégrer un ingrédient qu’elles avaient négligé.

Le phénomène n’est pas anecdotique dans l’échelle des pressions concernées. Une étude publiée dans Physical Review Letters, associée à ces travaux, précise qu’au-delà de 200 GPa et 1 800 K, la phase hcp devient dominante en entrant dans le régime superionique, la transition martensitique s’étendant entre 130 et 200 GPa de pression. Uranus et Neptune traversent très probablement cette fourchette quelque part entre leur atmosphère et leur noyau.

Des révisions qui prendront du temps

Rien ne sera bouleversé du jour au lendemain. La découverte est trop récente pour livrer ses conclusions définitives.

Trois mois. C’est à peu près le délai entre la publication des premiers résultats et leur diffusion dans la communauté scientifique élargie, le temps que d’autres équipes tentent de reproduire l’expérience. Les chercheurs eux-mêmes restent prudents sur la portée immédiate de leur travail : pour l’heure, impossible de trancher, la découverte n’a que quelques jours, et il faudra sans doute plusieurs années avant qu’elle ne débouche sur une véritable révision des modèles des géantes de glace.

D’autres équipes creusent des pistes voisines. Le projet français CHEMRAIN, financé par l’Agence nationale de la recherche, étudie un phénomène cousin : la formation de diamants et d’eau superionique, la fameuse pluie de diamants, à partir du mélange planétaire, invoquée pour expliquer la luminosité et le champ magnétique anisotrope des géantes glacées. L’eau, le méthane et l’ammoniac qui composent le manteau d’Uranus et de Neptune réservent visiblement encore bien des surprises à ceux qui tentent de les recréer à coups de laser et de diamants, à quelques milliers de kilomètres sous terre, dans un laboratoire grenoblois.

Source : sciencepost.fr