Dans Neptune, il pleut des diamants



  • Il y aurait bien des pluies de diamants dans les planètes géantes comme Neptune ou Uranus. C’est ce que confirment des expériences réalisées dans le domaine de la physique des hautes pressions.

    Les modèles actuels de la structure interne des planètes géantes de notre Système solaire sont des héritiers de ceux proposés par l’astrophysicien américain d’origine allemande Rupert Wildt durant les années 1940 et 1950. Il faut cependant préciser ces modèles grâce à des expériences relevant de la physique des hautes pressions et à des simulations numériques savantes sur ordinateur. Ces modèles se nourrissent aussi de travaux purement théoriques. Ainsi, au début des années 1980 des chercheurs états-uniens sont arrivés à la conclusion que les noyaux des planètes géantes, en particulier ceux de Neptune et d’Uranus, pouvaient contenir des quantités colossales de diamants sous forme solide. L’enjeu est à présent de tester cette prédiction en laboratoire, sur Terre, à l’aide d’expériences faisant intervenir des matériaux comprimés à très hautes pressions grâce à des faisceaux laser.
    L’une des dernières expériences en la matière a été conduite à l’aide d’un laser émettant dans le visible et de l’instrument Matter in Extreme Conditions (MEC), associé au laser à électrons libres du SLAC, le Linac Coherent Light Source (LCLS). L’objectif était de créer des pressions intenses grâce à des ondes de choc provoquées par l’impact des impulsions laser sur un matériau plastique, en l’occurrence du polystyrène (celui-ci est constitué d’un mélange d’atomes d’hydrogène et de carbone qui se trouve en très grandes quantités dans les planètes géantes, notamment sous forme de méthane).

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    Une vue de l’intérieur du MEC, au SLAC, à Stanford, en Californie. © SLAC National Accelerator Laboratory

    Des pluies de diamants pesant des millions de carats
    L’objectif des chercheurs états-uniens et allemands du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf n’était pas simplement de reproduire les conditions de pression et de température régnant à l’intérieur des planètes géantes, mais aussi de recréer les réactions chimiques qui s’y produisent. Mieux, ils ont voulu observer en direct ces réactions. C’est pourquoi, parallèlement à la formation et la propagation des ondes de choc dans le plastique, ce dernier a été soumis à des impulsions laser dans le domaine des rayons X durant quelques femtosecondes. Cela a permis aux physiciens de mettre en pratique une technique de diffraction des rayons X, dite « femtoseconde », qui permet, en quelque sorte, de prendre des instantanés des réactions produites. Cela leur a permis d’établir que des nanodiamants se forment bel et bien, mais aussi de déterminer leur taille et de les voir croître au cours du temps.
    Comme les chercheurs l’expliquent dans un article publié dans Nature, les résultats obtenus sont la première observation sans ambiguïté de la formation à hautes pressions de diamants dans un environnement avec des conditions similaires à celles régnant à l’intérieur de la planète Neptune (des pressions de 150 gigapascals environ et des températures de l’ordre de 5.000 kelvins), et ce en accord avec les prédictions théoriques.

    Les diamants synthétisés durant ces expériences sont de taille nanométrique. Toutefois, tout indique qu’à l’intérieur de planètes géantes comme Uranus et Neptune, les diamants formés sont en réalité beaucoup plus grands, pouvant atteindre des poids de plusieurs millions de carats. Au cours de milliers d’années, ces diamants doivent s’enfoncer lentement dans les couches de glace entourant le cœur rocheux des planètes géantes. Au final, de véritables couches de diamants doivent très probablement se former autour du cœur de ces géantes, à partir de pluies de diamants se formant à 10.000 kilomètres sous la surface d’Uranus et de Neptune.
    Ces expériences ne sont pas simplement intéressantes du point de vue des matériaux à hautes pressions et de l’astrophysique, qu’il s’agisse des planètes géantes du Système solaire ou des exoplanètes qui leur ressemblent et qui sont situées ailleurs dans la Voie lactée. En effet, cette technique de synthèse de nanodiamants pourrait avoir des applications technologiques intéressantes dans le domaine de la médecine ou de l’électronique ; de tels nanodiamants sont aujourd’hui produits à l’aide d’explosion et ils sont commercialisés. Une voie de synthèse à l’aide de laser pourrait ainsi offrir des perspectives plus intéressantes en termes de coût. Ce travail pourrait aussi avoir des applications dans le domaine de la fusion contrôlée inertielle, où ce sont des billes de carburant thermonucléaire contenant du deutérium et enrobées dans des couches de plastique qui sont utilisées.


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