Sciences

Le coeur de Jupiter au bout d'un rayon laser

ActualitéClassé sous :physique , laser Omega , équation d'état de l'hélium fluide

Que se passe-t-il au centre des planètes géantes comme Jupiter et Saturne ? Pour le savoir, un groupe de physiciens américains a entrepris d'utiliser l'un des lasers les plus puissants du monde pour comprimer de l'hélium à des pressions un million de fois supérieure à celle de l'atmosphère terrestre.

Une photo d'une expérience faisant intervenir le laser Omega. Crédit : Lawrence Livermore National Laboratory

Dans son roman 2010 Odyssée deux, Arthur Clarke reprenait en la généralisant une idée avancée par les physiciens Marvin Ross et Francis Ree du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL). Jupiter et Saturne avaient peut-être un cœur solide en diamant résultant des très hautes pressions régnant dans ces planètes géantes.

Aujourd'hui, un autre groupe de chercheurs du même laboratoire se lance lui aussi à l'assaut de la physique des hautes pressions régnant au cœur des géantes gazeuses, comme celles de notre système solaire ou celles des exoplanètes : les Jupiter chauds.

Jupiter est constitué majoritairement d'hydrogène moléculaire et d'hélium mais, comme l'avait prédit Eugène Wigner en 1935, on sait que l'hydrogène peut devenir métallique dans des conditions de pression et de température similaires à celles régnant au cœur de Jupiter. Le comportement de l'hélium, décrit par ce qu'on appelle son équation d'état dépendant de la température et de la pression, est moins bien connu. On s'attend à ce que ce dernier exhibe des propriétés intermédiaires entre celles d'un matériau condensé et celles d'un plasma.

Figure 1. Un modèle actuel de l'intérieur de Jupiter. Le cœur est sans doute rocheux mais entouré d'hydrogène solide et d'hélium liquide. La température y serait d'au moins 16.000 K au centre, soit plus du double de la température de surface du Soleil. Crédit : Lawrence Livermore National Laboratory

Du point de vue des théoriciens et des expérimentateurs du LLNL, un des laboratoires clé pour la mise au point des armes nucléaires et thermonucléaires américaines, l'exploration de cette physique, proche de celle régnant lors des explosions des bombes A et H, est plus que de la simple curiosité scientifique.

Reste que pour un planétologue ou un physicien du solide, ce qui doit se passer au cœur des géantes est vraiment fascinant. Les matériaux dans ces conditions de température et de pression élevées devraient avoir certaines propriétés rares, comme la superfluidité ou même la supraconductivité à haute température critique. En particulier, le processus de cristallisation de Wigner (les électrons formant un réseau cristallin) devrait s'y produire, le même que celui dont on pense qu'il intervient dans les naines blanches.

Figure 2. Cliquez pour agrandir. Explication dans le texte. Crédit : American Scientist

Dans des expériences précédentes, un échantillon d'hydrogène liquide était placé dans un container. Une explosion mettait en mouvement un piston qui comprimait de l'hydrogène gazeux afin de propulser un projectile à très grande vitesse sur l'échantillon d'hydrogène liquide (voir la figure 2). Une onde de choc se produisait alors dans ce dernier, créant pendant une fraction de seconde les conditions de pressions à l'intérieur de Jupiter, c'est-à-dire 77 Mbars.

Cent gigapascals avec un laser

Jon Eggert, Peter Celliers, Damien Hicks et Gilbert Collins, du LLNL, ont repris le principe de cette expérience en substituant à l'hydrogène liquide de l'hélium comprimé entre deux diamants artificiels. Le projectile, lui, a été remplacé par une impulsion laser, qui possède une force de compression similaire, émise par le laser Omega de l'Université de Rochester, utilisé depuis longtemps dans le cadre de la fusion contrôlée inertielle.

Figure 3. Une vue de l'échantillon d'hélium liquide avant la compression par le laser Omega. Le carré est un capteur en quartz utilisé pour mesurer la pression dans l'échantillon. Crédit : Lawrence Livermore National Laboratory

Alors que les expériences avec projectile avaient permis de monter à 16 GPa (gigapascals), ici les 100 GPa ont été dépassés. Les chercheurs ont donc pu tester leurs prédictions pour le comportement de l'hélium, dépassant même la pression à l'intérieur de Jupiter. Ils ont découvert qu'à de telles pressions, l'hélium devenait conducteur.

Ils se préparent maintenant à explorer de nouvelles limites de l'équation d'état de l'hélium avec les lasers qui seront bientôt disponibles grâce au National Ignition Facility. Des chercheurs du CEA, en France, du  Carnegie Geophysical Institute et de l'Université de Berkeley devraient être associés à cette aventure.