Deux planètes étranges
Les deux grandes planètes gazeuses Uranus et Neptune possèdent d'étranges champs magnétiques. Chacun d'entre eux est fortement incliné par rapport aux axes de rotation de la planète et est considérablement décalé par rapport au centre physique de la planète. La raison de ce phénomène est un mystère de longue date dans les sciences planétaires. Diverses théories supposent qu'une structure interne unique de ces planètes pourrait être responsable de ce phénomène bizarre. Selon ces théories, le champ magnétique oblique est causé par les circulations dans une couche convective, qui consiste en un fluide conducteur d'électricité. Cette couche convective entoure à son tour une couche stable, non convective, dans laquelle il n'y a pas de circulation du matériau en raison de sa forte viscosité et donc aucune contribution au champ magnétique.
États extraordinaires
Des simulations informatiques montrent que l'eau et l'ammoniac, les principaux composants d'Uranus et de Neptune, entrent dans un état inhabituel à des pressions et des températures très élevées : un «état superionique», qui possède les propriétés d'un solide et d'un liquide. Dans cet état, les ions hydrogène deviennent mobiles au sein de la structure réticulaire formée par l'oxygène ou l'azote.
Des études expérimentales récentes confirment que l'eau superionique peut exister à la profondeur où, selon la théorie, se trouve la région à couches stables. Il se pourrait donc que la couche stratifiée soit formée de composants superioniques. Cependant, il n'est pas clair si ces composants sont réellement capables de supprimer la convection, puisque les propriétés physiques de l'état superionique ne sont pas connues.
Haute pression dans l'espace le plus réduit
Tomoaki Kimura et Motohiko Murakami, du département des sciences de la terre de l'ETH Zurich, ont fait un pas de plus vers la réponse. Les deux chercheurs ont mené des expériences à haute pression et à haute température avec de l'ammoniac dans leur laboratoire. L'objectif de ces expériences était de déterminer l'élasticité du matériau superionique. L'élasticité est l'une des propriétés physiques les plus importantes qui influencent la convection thermique dans le manteau planétaire. Il est remarquable que l'élasticité des matériaux dans leur état solide et liquide soit complètement différente.
Pour leurs recherches, les chercheurs ont utilisé un appareil à haute pression appelé cellule à enclume de diamant. Dans cet appareil, l'ammoniac est placé dans un petit récipient d'un diamètre d'environ 100 micromètres, qui est ensuite serré entre deux enclumes en diamant qui compriment l'échantillon. Il est ainsi possible de soumettre des matériaux à des pressions extrêmement élevées, comme celles que l'on trouve à l'intérieur d'Uranus et de Neptune.
L'échantillon est ensuite chauffé à plus de 2 000 degrés Celsius par un laser infrarouge. Dans le même temps, un faisceau laser vert illumine l'échantillon. En mesurant le spectre d'ondes de la lumière laser verte diffusée, les chercheurs peuvent déterminer l'élasticité du matériau et la liaison chimique dans l'ammoniac. Les variations du spectre d'ondes à différentes pressions et températures peuvent être utilisées pour déterminer l'élasticité de l'ammoniac à différentes profondeurs.
Une nouvelle phase découverte
Dans leurs mesures, Kimura et Murakami ont découvert une nouvelle phase d'ammoniac superionique (phase γ) qui présente une élasticité similaire à celle de la phase liquide. Cette nouvelle phase pourrait être stable dans l'intérieur profond d'Uranus et de Neptune et donc s'y produire. Cependant, l'ammoniac superionique se comporte comme un liquide et il ne serait donc pas assez visqueux pour contribuer à la formation de la couche non convective.
La question des propriétés de l'eau superionique à l'intérieur d'Uranus et de Neptune est d'autant plus urgente à la lumière de ces nouveaux résultats. Car même aujourd'hui, le mystère de la raison pour laquelle les deux planètes ont un champ magnétique aussi irrégulier n'est toujours pas résolu.
