Une conception d’artiste de la section transversale d’une super-Terre avec la chambre cible du NIF superposée au manteau, en regardant vers le noyau. Crédit : Image de John Jett/LLNL
La découverte de plus de 4 500 planètes extrasolaires a créé un besoin de modélisation de leur structure intérieure et de leur dynamique. Il s’avère que le fer joue un rôle clé.
Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et leurs collaborateurs ont utilisé des lasers au National Ignition Facility pour déterminer expérimentalement la courbe de fusion à haute pression et les propriétés structurelles du fer pur jusqu’à 1 000 GPa (près de 10 000 000 atmosphères), soit trois fois la pression du noyau interne de la Terre et près de quatre fois la pression de toutes les expériences précédentes. Ces recherches sont publiées dans Science.
L’équipe a réalisé une série d’expériences qui émulent les conditions observées par une parcelle de fer descendant vers le centre d’un noyau de super-Terre. Les expériences ont été attribuées dans le cadre du programme NIF Discovery Science, qui est en accès libre et disponible pour tous les chercheurs.
“La richesse du fer à l’intérieur des planètes rocheuses rend nécessaire la compréhension des propriétés et de la réaction du fer dans des conditions extrêmes au cœur des planètes plus massives semblables à la Terre “, a déclaré Rick Kraus, physicien du LLNL et auteur principal de l’article. “La courbe de fusion du fer est essentielle pour comprendre la structure interne, l’évolution thermique, ainsi que le potentiel des magnétosphères générées par la dynamo.”
On pense qu’une magnétosphère est un composant important des planètes terrestres habitables, comme c’est le cas sur Terre. La magnétodynamo de la Terre est générée dans le noyau externe de fer liquide en convection entourant le noyau interne de fer solide et est alimentée par la chaleur latente libérée pendant la solidification du fer.
Avec la proéminence du fer dans les planètes terrestres, des propriétés physiques exactes et précises à des pressions et températures extrêmes sont nécessaires pour prédire ce qui se passe à l’intérieur de ces planètes. Une propriété de premier ordre du fer est le point de fusion, qui est encore débattu pour les conditions de l’intérieur de la Terre. La courbe de fusion est la plus grande transition rhéologique qu’un matériau puisse subir, d’un matériau avec résistance à un matériau sans résistance. C’est là qu’un solide se transforme en liquide, et la température dépend de la pression du fer.
Grâce aux expériences, l’équipe a déterminé la durée de l’action de la dynamo pendant la solidification du noyau jusqu’à la structure hexagonale compacte au sein des exoplanètes super-terrestres.
“Nous constatons que les exoplanètes terrestres ayant une masse de quatre à six fois celle de la Terre auront les dynamos les plus longues, qui fournissent une protection importante contre le rayonnement cosmique”, a déclaré Kraus.
Kraus a déclaré : “Au-delà de notre intérêt pour la compréhension de l’habitabilité des exoplanètes, la technique que nous avons développée pour le fer sera appliquée à l’avenir à des matériaux plus pertinents sur le plan programmatique”, notamment le Stockpile Stewardship Program.
La courbe de fusion est une contrainte incroyablement sensible sur un modèle d’équation d’état.
L’équipe a également obtenu la preuve que la cinétique de la solidification dans des conditions aussi extrêmes est rapide, ne prenant que quelques nanosecondes pour passer d’un liquide à un solide, ce qui lui a permis d’observer la limite de la phase d’équilibre. “Cette vision expérimentale permet d’améliorer notre modélisation de la réponse des matériaux en fonction du temps pour tous les matériaux”, a déclaré Kraus.
Référence : “Measuring the melting curve of iron at super-Earth core conditions” par Richard G. Kraus, Russell J. Hemley, Suzanne J. Ali, Jonathan L. Belof, Lorin X. Benedict, Joel Bernier, Dave Braun, R. E. Cohen, Gilbert W. Collins, Federica Coppari, Michael P. Desjarlais, Dayne Fratanduono, Sebastien Hamel, Andy Krygier, Amy Lazicki, James Mcnaney, Marius Millot, Philip C. Myint, Matthew G. Newman, James R. Rygg, Dane M. Sterbentz, Sarah T. Stewart, Lars Stixrude, Damian C. Swift, Chris Wehrenberg et Jon H. Eggert, 13 janvier 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abm1472
Les autres membres de l’équipe Livermore sont Suzanne Ali, Jon Belof, Lorin Benedict, Joel Bernier, Dave Braun, Federica Coppari, Dayne Fratanduono, Sebastien Hamel, Andy Krygier, Amy Lazicki, James McNaney, Marius Millot, Philip Myint, Dane M. Sterbentz, Damian Swift, Chris Wehrenberg et Jon Eggert. Des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Chicago, de la Carnegie Institution for Science, de l’Université de Rochester, du Sandia National Laboratory, du California Institute of Technology, de l’Université de Californie Davis et de l’Université de Californie Los Angeles ont également contribué à cette étude.
Le travailest financé par le Weapon Physics and Design Program du LLNL et le Discovery Science program du NIF.
