Deux planètes étranges

Les deux grandes planètes gazeuses Uranus et Neptune présentent d'étranges champs magnétiques. Ceux-ci sont respectivement fortement inclinés par rapport aux axes de rotation de la planète et sont nettement décalés par rapport au centre physique de la planète. Les planétologues se demandent depuis longtemps pourquoi il en est ainsi. Selon différentes théories, une structure interne unique de ces planètes pourrait être responsable de ce phénomène bizarre. Selon cette théorie, le champ magnétique incliné est créé par des bouleversements dans une couche convective composée d'un liquide conducteur d'électricité. Cette couche convective entoure à son tour une couche stable et stratifiée, non convective, dans laquelle il n'y a pas de circulation de matière en raison de la viscosité élevée et donc pas de contribution au champ magnétique.

?tats extraordinaires

Des simulations informatiques montrent qu'à des pressions et des températures très élevées, l'eau et l'ammoniac, les principaux composants d'Uranus et de Neptune, se transforment en un état inhabituel qui a à la fois les propriétés d'un solide et d'un liquide. Dans cet état dit "superionique", les ions hydrogène deviennent mobiles au sein de la structure réticulaire formée par l'oxygène ou l'azote.

Les études expérimentales confirment que l'eau superionique peut exister à la profondeur où se trouve, selon la théorie, la région stable-stratifiée. Il se pourrait donc que la couche stratifiée soit formée par des composants superioniques. On ne sait toutefois pas si ces composants sont effectivement capables de supprimer la convection, car les propriétés physiques de l'état superionique ne sont pas connues.

Une pression élevée dans un espace réduit

Tomoaki Kimura et Motohiko Murakami, du Département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich, font désormais un pas de plus vers la réponse. Les deux chercheurs ont réalisé dans leur laboratoire des expériences à haute pression et à haute température avec de l'ammoniac. L'objectif de ces expériences était de déterminer l'élasticité du matériau superionique. L'élasticité est l'une des principales propriétés physiques qui influencent la convection thermique dans le manteau planétaire. Il est remarquable à cet égard que l'élasticité des matériaux soit totalement différente à l'état solide et à l'état liquide.

Pour leurs recherches, les chercheurs ont utilisé un appareil à haute pression appelé "cellule à enclume de diamant". Dans cet appareil, l'ammoniac est coincé dans un petit récipient d'environ 100 micromètres de diamètre entre deux pointes de diamant qui compriment l'échantillon. Il est ainsi possible de soumettre le matériau à des pressions extrêmement élevées, comme celles qui règnent à l'intérieur d'Uranus et de Neptune.

L'échantillon ainsi chargé est ensuite chauffé à plus de 2000 degrés Celsius à l'aide d'un laser infrarouge. En même temps, un autre rayon laser vert éclaire l'échantillon. En mesurant le spectre d'ondes de la lumière laser verte diffusée, il est possible de déterminer l'élasticité du matériau et la liaison chimique dans l'ammoniac. Les décalages du spectre d'ondes à différentes pressions et températures permettent de mesurer l'élasticité de l'ammoniac à différentes profondeurs.

Découverte d'une nouvelle phase

Au cours de leurs recherches, Kimura et Murakami ont maintenant découvert une nouvelle phase superionique d'ammoniac (phase γ) qui présente une élasticité similaire à celle de la phase liquide. Cette nouvelle phase pourrait être stable dans les profondeurs d'Uranus et de Neptune et donc y être présente. Cependant, l'ammoniac superionique ne serait pas suffisamment visqueux, car il se comporte comme un liquide, et ne pourrait donc guère contribuer à la formation de la couche non-convective.

En raison des nouveaux résultats, la question de savoir quelles sont les propriétés de l'eau superionique à l'intérieur d'Uranus et de Neptune se pose désormais avec encore plus d'acuité. En effet, l'énigme de savoir pourquoi les deux planètes ont un champ magnétique aussi irrégulier n'est toujours pas résolue avec ces nouveaux résultats.