Un État de la Matière Insoupçonné pourait Se Cacher dans Notre Système Solaire !

Malgré des apparences trompeuses, le fonctionnement interne des géantes de glace comme Uranus et Neptune est d’une grande complexité. Les pressions milliard de fois plus élevées que celle du niveau de la mer sur Terre, combinées à des températures atteignant plusieurs milliers de degrés, donnent naissance à des matériaux très étranges.

Une nouvelle étude réalisée par des chercheurs de l’Institut Carnegie, parue dans Nature Communications, décrit un état de la matière complètement inédit qui pourrait exister dans ces environnements extrêmes : une phase « quasi-1D superionique ».

Les scientifiques savent depuis longtemps que ces planètes de glace ne sont pas composées des « glaces » habituelles telles que nous les connaissons sur Terre, mais d’un mélange chaud et dense d’eau, d’ammoniac et de méthane.

Reproduire ces conditions en laboratoire est quasi impossible, car cela exigerait des térapascals de pression à des températures suffisantes pour faire fondre la plupart des conteneurs.

Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont souvent recours à des simulations, notamment une connue sous le nom de « Synthèse d’Uranus », qui imite l’environnement de la septième planète du système solaire, en tenant compte de la pression et de la chaleur.

Des études chimiques antérieures ont déjà démontré que des molécules conventionnelles comme le méthane ne survivent pas sous leur forme traditionnelle. Elles se décomposent à environ 95 gigapascals, produisant des matériaux riches en hydrogène aux côtés d’allotropes de carbone tels que le diamant.

Cependant, même ce style de simulation présente des limites et échoue à des pressions plus élevées.

Pour remédier à ce problème, l’étude adopte une approche fondée sur les principes fondamentaux, permettant à la mécanique quantique de construire l’environnement entier – du moins dans la mesure où la mécanique quantique peut être modélisée.

Selon cette méthode de simulation, à des pressions supérieures à 1100 GPa, le carbone et l’hydrogène forment un composé stable, mais avec une structure très inhabituelle.

Dans ces conditions, les atomes de carbone se verrouillent dans un réseau rigide en forme d’hélice chirale – semblable à un escalier en spirale microscopique.

La partie la plus intéressante survient quand la chaleur est ajoutée. En temps normal, une augmentation de la chaleur transformerait cette structure en liquide, permettant aux atomes de se déplacer librement. Cependant, pour certains autres matériaux, comme l’eau, cette augmentation de chaleur provoque un comportement inhabituel : un ensemble d’atomes (dans le cas de l’eau, l’oxygène) reste solide tandis que l’autre (l’hydrogène) commence à circuler librement. C’est ce qu’on appelle un état « superionique ».

Entre 1000 et 3000 Kelvin, le nouveau composé CH entre dans cet état superionique, mais avec une particularité. Contrairement à l’eau, où c’est l’oxygène qui forme la structure cristalline, ici, c’est le carbone qui occupe cette fonction.

Les atomes d’hydrogène, bien que contraints par le réseau de carbone, présentent une diffusion superionique le long de l’« escalier » (axe z), tout en ayant un mouvement de rotation dans le plan transverse (xy).

Les atomes d’hydrogène peuvent facilement monter ou descendre l’escalier, mais produisent plutôt des rotations dans les autres directions. Cette mouvement unidimensionnel associé à une rotation bidimensionnelle a amené les chercheurs à classer cela comme un type hybride de « dimensionalité diffusional » – un état superionique quasi-1D.

Bien que cela reste théorique, quelles en sont les implications pratiques ? L’impact le plus notable est que les propriétés de ce matériau deviennent anisotropes, ce qui signifie qu’elles varient selon la direction dans laquelle elles sont mesurées.

Par exemple, le matériau semble conduire la chaleur et l’électricité très efficacement le long de l’axe de l’« escalier », mais beaucoup moins dans les autres directions. De plus, bien que des atomes d’hydrogène mobiles soient présents (qui sont chargés positivement), la conductivité électrique semble être dominée par le mouvement des électrons.

À l’échelle macroscopique, cela contribue à alimenter des théories sur les raisons pour lesquelles les champs magnétiques de Neptune et Uranus présentent tant d’anomalies. Les modèles conventionnels expliquent ces champs magnétiques inclinés en supposant que ces glaces superioniques conduisent la chaleur et l’électricité de manière homogène dans toutes les directions.

Cependant, avec cette nouvelle phase quasi-1D superionique, cette hypothèse est remise en question et pourrait mieux correspondre aux données expérimentales provenant des planètes elles-mêmes.

Certes, un matériau basique de carbone et d’hydrogène est une simplification excessive des dynamiques chimiques et thermiques complexes à l’œuvre dans le cœur de ces mondes. Pourtant, le fait que nous ayons même la possibilité de modéliser et de comprendre comment certains de ces matériaux pourraient fonctionner dans le monde réel révèle que la science planétaire a encore beaucoup à nous apprendre sur les mécanismes de l’univers.