Comment de la glace chaude « superionique » aide à comprendre Uranus et Neptune

La glace ne se résume pas aux glaçons que vous trouvez dans votre congélateur. L’eau qui devient solide, placée à moins de 0 degré Celsius sur Terre, n’est qu’une des formes que peut prendre cette substance. Des scientifiques ont réussi à recréer un type de glace bien particulier, considéré comme étant « superionique ».

«C’était possible en théorie, raconte Vitalie Prakapenka à Numerama. Mais c’est la première fois que nous avons une vraie confirmation expérimentale. » Le chercheur de l’Université de Chicago a publié une étude sur le sujet dans Nature Physics le 14 octobre 2021.

Mais qu’est-ce qu’une glace superionique ? C’est un type de glace qui se forme à des températures et des niveaux de pression très différents de ce qui se trouve sur Terre. Celle-ci a été générée avec une pression de 150 Gigapascals, soit 1,5 million de fois la pression dans l’atmosphère terrestre, et à une température de 6 227 degrés Celsius. C’est donc bien une glace extrêmement chaude, ce qui peut être assez difficile à imaginer, et encore plus à créer.

« Nous nous sommes servis d’un système impliquant un laser qui passe à travers des diamants pour chauffer les échantillons et créer une forte pression, précise Vitali Prakapenka. C’est une expérience que nous avons commencée il y a déjà une dizaine d’années ! » Si le processus a duré si longtemps, c’est parce que ces conditions extrêmes sont très difficiles à créer, et encore plus à maintenir. Donc, même lorsqu’ils y arrivaient, les chercheurs n’arrivaient pas à collecter suffisamment de données pour que l’expérience soit vraiment parlante.

La glace superionique a une structure assez particulière : les ions d’oxygène forment une sorte de réseau cristallin dans lequel les ions d’hydrogène flottent. Vitali Prakapenka décrit : « C’est comme une fourmilière d’oxygène dans laquelle on voit se promener des fourmis d’hydrogène. Le tout dans une glace qui devient noire au lieu de fondre. »

Un petit cube de glace pour comprendre des planètes

Et à force d’essayer, les chercheurs ont réussi à observer aux rayons X le produit ainsi formé. Un produit en très petite quantité, avec un échantillon contenu dans une boîte ne faisant que quelques millimètres de côté. Pourtant, c’est bien ce minuscule morceau de glace qui va permettre d’en apprendre plus… sur des planètes géantes.

Uranus vue par Hubble en 2011.

Source : Flickr/CC/Kevin Gill (photo recadrée)

En effet, ces conditions de température et de pression si extrêmes sont pourtant bien une réalité dans certains environnements. Par exemple, loin dans les profondeurs d’Uranus et Neptune. Les géantes de glace aux confins de notre Système solaire ne se sont pas du tout formées comme la Terre ou les autres planètes telluriques, puisqu’elles sont au moins à 60% composées d’eau. Ce n’est donc pas du métal fondu qui se déplace dans leur noyau, mais bien de l’eau. Or, à ces profondeurs, la température y est très élevée, ainsi que la pression, donc l’eau ne se comporte pas normalement.

Elle joue le rôle du métal, mais à ces températures, le métal a plutôt tendance à fondre pour devenir un isolant. Or, l’eau ainsi changée en glace conduit de l’électricité et tout cela perturbe le champ magnétique de ces planètes. Neptune et Uranus ont la particularité d’avoir toutes les deux un champ magnétique très incliné par rapport à leur axe de rotation, mais aussi décalé par rapport à leur centre. Résultat, la magnétosphère est extrêmement différente selon l’hémisphère où l’on se trouve, et le tout est assez chaotique et irrégulier.

Au début, les chercheurs pensaient que ce champ magnétique inhabituel chez Uranus était dû à sa rotation décalée par rapport à celle des autres planètes, mais quand ils ont vu que c’était la même chose sur Neptune, il a bien fallu se rendre à l’évidence : il se passe quelque chose de bizarre à l’intérieur.

« Nous pensons que c’est la glace superionique chargée en électricité qui est responsable de cela », résume Vitali Prakapenka. Là, il faut se reposer sur les différentes observations faites sur ces deux planètes, qui révèlent l’existence supposée d’une pression très importante près des noyaux. Et avec ces conditions, la glace devient superionique. « Notre étude nous aidera à mieux comprendre ce qui se passe, assure Vitali Prakapenka, car nous avons pu savoir précisément à quels niveaux de pression et de température le basculement en glace superionique avait lieu. C’est la première fois que nous avons des mesures aussi précises ! »

Il reste désormais à savoir plus exactement quelles sont les propriétés de cette étrange glace. Nous savons qu’elle est conductrice d’électricité, mais elle réserve encore peut-être quelques secrets. L’équipe de Vitali Prakapenka va continuer les expériences sur la question pour en apprendre plus. Dans le même temps, les astronomes vont pouvoir observer les données sur le champ magnétique d’Uranus et Neptune pour construire des modèles plus précis à l’aide de cette étude.

L’idéal serait évidemment des relevés sur place, mais depuis le passage de la sonde Voyager 2 en 1986 vers Uranus et en 1989 pour Neptune, aucun autre programme n’a pour l’instant vocation à prendre le relais. Mais l’intérêt pourrait être relancé par ces petits cubes de glace créés sur Terre.