Des scientifiques découvrent une étrange « glace superionique » noire qui pourrait exister profondément à l’intérieur d’autres planètes

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Superionic Ice Experiment
Uranus et Neptune

L’eau superionique se trouve dans les géants de glace Uranus et Neptune. Crédit : LLNL

À l’aide de la source avancée de photons, les scientifiques ont recréé la structure de la glace formée au centre de planètes comme Neptune et Uranus.

Tout le monde connaît la glace, le liquide et la vapeur, mais, selon les conditions, l’eau peut en fait former plus d’une douzaine de structures différentes. Les scientifiques ont maintenant ajouté une nouvelle phase à la liste : la glace superionique.

Ce type de glace se forme à des températures et des pressions extrêmement élevées, telles que celles situées au plus profond de planètes comme Neptune et Uranus. Auparavant, la glace superionique n’avait été aperçue qu’en un bref instant alors que les scientifiques ont envoyé une onde de choc à travers une goutte d’eau, mais dans une nouvelle étude publiée dans Physique de la nature, les scientifiques ont trouvé un moyen fiable de créer, de maintenir et d’examiner la glace.

Expérience de glace superionique

Les scientifiques ont utilisé des diamants et un faisceau de rayons X brillants pour recréer les conditions au plus profond des planètes et ont découvert une nouvelle phase d’eau appelée « glace superionique ». Crédit : Image de Vitali Prakapenka

“C’était une surprise – tout le monde pensait que cette phase n’apparaîtrait pas tant que vous n’êtes pas à des pressions beaucoup plus élevées que là où nous la trouvons pour la première fois”, a déclaré le co-auteur de l’étude Vitali Prakapenka, un Université de Chicago professeur de recherche et scientifique en ligne de lumière à l’Advanced Photon Source (APS), une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l’énergie des États-Unis (DOE) au Laboratoire national d’Argonne du DOE. « Mais nous avons pu cartographier très précisément les propriétés de cette nouvelle glace, qui constitue une nouvelle phase de la matière, grâce à plusieurs outils puissants. »

Même si les humains ont scruté le temps jusqu’au début de l’univers – et jusqu’aux plus petites particules qui composent toute la matière – nous ne comprenons toujours pas exactement ce qui se cache au plus profond de la Terre, encore moins à l’intérieur des planètes sœurs de notre planète solaire. système. Les scientifiques ont seulement creusé environ sept milles et demi sous la surface de la Terre avant que l’équipement ne commence à fondre en raison de la chaleur et de la pression extrêmes. Dans ces conditions, la roche se comporte davantage comme du plastique et les structures de molécules même basiques comme l’eau commencent à se déplacer.

« Nous avons pu cartographier très précisément les propriétés de cette nouvelle glace, qui constitue une nouvelle phase de la matière, grâce à plusieurs outils puissants. » – Vitali Prakapenka, Université de Chicago.

Comme nous ne pouvons pas atteindre physiquement ces endroits, les scientifiques doivent se tourner vers le laboratoire pour recréer des conditions de chaleur et de pression extrêmes.

Prakapenka et ses collègues utilisent l’APS, un accélérateur massif qui pousse les électrons à des vitesses extrêmement élevées proches de la vitesse de la lumière pour générer des faisceaux brillants de rayons X. Ils pressent leurs échantillons entre deux morceaux de diamant – la substance la plus dure sur Terre – pour simuler les pressions intenses, puis tirent des lasers à travers les diamants pour chauffer l’échantillon. Enfin, ils envoient un faisceau de rayons X à travers l’échantillon et reconstituent l’arrangement des atomes à l’intérieur en fonction de la façon dont les rayons X se dispersent sur l’échantillon.

Lorsqu’ils ont mené les expériences pour la première fois, Prakapenka a vu des lectures de la structure très différentes de ce à quoi il s’attendait. Il pensait que quelque chose s’était mal passé et qu’il y avait eu une réaction chimique indésirable, qui se produit souvent avec l’eau dans de telles expériences. “Mais lorsque j’ai éteint le laser et que l’échantillon est revenu à température ambiante, la glace est revenue à son état d’origine”, a-t-il déclaré. “Cela signifie qu’il s’agissait d’un changement structurel réversible, pas d’une réaction chimique.”

En regardant la structure de la glace, l’équipe s’est rendu compte qu’elle avait une nouvelle phase entre ses mains. Ils ont pu cartographier avec précision sa structure et ses propriétés.

“Imaginez un cube, un réseau avec des atomes d’oxygène aux coins reliés par de l’hydrogène”, a déclaré Prakapenka. « Lorsqu’il se transforme en cette nouvelle phase superionique, le réseau se dilate, permettant aux atomes d’hydrogène de migrer tandis que les atomes d’oxygène restent stables dans leurs positions. C’est un peu comme un réseau d’oxygène solide posé dans un océan d’atomes d’hydrogène flottants.

Cela a des conséquences sur le comportement de la glace : elle devient moins dense, mais nettement plus sombre car elle interagit différemment avec la lumière. Mais la gamme complète des propriétés chimiques et physiques de la glace superionique n’a pas encore été explorée. “C’est un nouvel état de la matière, il agit donc essentiellement comme un nouveau matériau, et il peut être différent de ce que nous pensions”, a déclaré Prakapenka.

Les résultats ont également été une surprise, car alors que les scientifiques théoriques avaient prédit cette phase, la plupart des modèles pensaient qu’elle n’apparaîtrait pas tant que l’eau n’aurait pas été comprimée à plus de 50 gigapascals de pression (à peu près les mêmes que les conditions à l’intérieur du carburant de fusée lorsqu’il explose pour le décollage ). Mais ces expériences n’étaient qu’à 20 gigapascals. “Parfois, on vous réserve des surprises comme celle-ci”, a déclaré Prakapenka.

Mais cartographier les conditions exactes où se produisent les différentes phases de la glace est important, entre autres, pour comprendre la formation des planètes et même où chercher la vie sur d’autres planètes. Les scientifiques pensent que des conditions similaires existent à l’intérieur de Neptune et d’Uranus, et d’autres planètes froides et rocheuses comme elles ailleurs dans l’univers.

Les propriétés de ces glaces jouent un rôle dans les champs magnétiques d’une planète, qui ont un impact énorme sur sa capacité à héberger la vie : les puissants champs magnétiques de la Terre nous protègent des rayonnements entrants nocifs et des rayons cosmiques, tandis que les surfaces des planètes stériles Mars et Mercure sont exposés. Connaître les conditions qui affectent la formation du champ magnétique peut guider les scientifiques dans leur recherche d’étoiles et de planètes dans d’autres systèmes solaires susceptibles d’héberger la vie.

Prakapenka a déclaré qu’il y avait de nombreux autres angles à explorer, tels que la conductivité et la viscosité, la stabilité chimique, ce qui change lorsque l’eau se mélange avec des sels ou d’autres minéraux, comme elle le fait souvent profondément sous la surface de la Terre. “Cela devrait stimuler beaucoup plus d’études”, a-t-il déclaré.

Référence : « Structure and properties of two superionic ice phases » par Vitali B. Prakapenka, Nicholas Holtgrewe, Sergey S. Lobanov et Alexander F. Goncharov, 14 octobre 2021, Physique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41567-021-01351-8

La diffraction des rayons X synchrotron a été réalisée à GeoSoilEnviroCARS, une ligne de lumière sur la source avancée de photons du Laboratoire national d’Argonne, et la spectroscopie optique a été réalisée à la Carnegie Institution for Science. Les autres auteurs de l’article étaient Nicholas Holtgrewe de CARS et de la Carnegie Institution de Washington, Sergey Lobanov de la Carnegie Institution et du Centre de recherche allemand GFZ pour les géosciences, et Alexander Goncharov de la Carnegie Institution.

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