Comment se forment les glaces extraterrestres ? Ici, une vue d'artiste de la surface d'Europe, la lune glacée de Jupiter. © Nasa

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Glaces extraterrestres, les secrets de leur formation découverts

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Notre univers ne renferme pas uniquement de la glace ordinaire. Il existe par exemple une glace extraterrestre appelée « glace VII ». Pour la première fois, la formation de celle-ci à haute pression vient d'être observée avec un laser à rayons X.

  • Les expériences de la physique des hautes pressions menées depuis le début du XXe siècle ont révélé l'existence de plusieurs phases de glaces solides. Certaines de ces glaces doivent exister sur d'autres planètes, dans le Système solaire ou plus loin encore.
  • Une nouvelle technique permet de percer les secrets de la genèse de ces glaces en observant les détails de leur formation avec des rayons X. Le premier succès a été obtenu avec la glace VII.
  • Comprendre l'origine de ces glaces va nous aider à comprendre celle des corps célestes glacés, y compris quand il s'agit de l'intérieur d'exoplanètes.

C'est relativement peu connu (sauf des physiciens et chimistes confrontés au sujet), mais il y a, dans le cosmos, plusieurs types de glaces. Celles-ci apparaissent dans différentes phases selon les conditions de température et de pression. Nous en connaissons plus d'une dizaine de formes cristallines.

La première glace découverte par l'humanité, celle des glaciers et de la neige, a été classifiée au début du XXe siècle par Gustav Tammann, sous l'appellation de « glace Ih » (la lettre « h » indique qu'elle fait partie des cristaux dont la maille cristalline est hexagonale). Tammann a aussi découvert les glaces de types II et III.

Pionnier de la physique des hautes pressions, le physicien P. W. Bridgman a contribué à l'extension de notre connaissance des types de glaces en fabriquant, en 1912 d'abord, les glaces V et VI, puis, en 1937, la glace VII. Ces connaissances nous permettent de spéculer sur la structure interne des planètes géantes comme Jupiter et Neptune mais aussi, maintenant, sur l'intérieur de certaines exoplanètes, en particulier les grandes planètes océans.

Ce diagramme de phases de l’eau montre bien qu’il existe plusieurs types de glaces possibles. © Wikipédia, Olivier Descout, CC by-sa 3.0

Comment l’eau liquide se transforme-t-elle en glace extraterrestre ?

Ces découvertes sur les phases de la glace sont donc presque centenaires mais l'on aurait tort de croire que l'Homme sait désormais tout à leur sujet. Et pour cause : même aujourd'hui, l'eau liquide continue de nous surprendre. Nous l'avons vu récemment avec des travaux ayant montré qu'elle était en réalité un mélange complexe de deux phases liquides.

Les recherches concernant les différents types de glaces se poursuivent donc, notamment parce qu'elles devraient nous permettre de mieux comprendre la structure et la genèse des corps célestes glacés du Système solaire (comme Europe), mais aussi parce qu'elles pourraient avoir des applications technologiques imprévues. Un type de glace baptisé « glace XVI » est par exemple susceptible de nous aider à mieux comprendre les immenses gisements d'hydrate de méthane situés au fond des océans. Or, si nous pouvions efficacement faire de la capture de CO2 pour supprimer son injection dans l'atmosphère en continuant à consommer des énergies fossiles, ces gisements pourraient nous servir à relever les défis de la deuxième moitié du XXIe siècle.

Récemment, des chercheurs états-uniens ont publié un article dans Physical Review Letters. L'objectif de leurs travaux : comprendre comment l'eau liquide peut se transformer en glaces extraterrestres comme celles que l'on doit rencontrer à hautes pressions (aussi bien lorsque des comètes entrent en collision qu'à grandes profondeurs dans les exoplanètes océans). Les physiciens ont pu suivre en détail, pour la première fois, et à l'échelle microscopique, comment les molécules d'eau s'organisent une à une pour passer d'une phase désordonnée et liquide à une phase solide et ordonnée appelée « glace VII ».

Une couche d'eau circulaire intercalée entre une plaquette de diamant revêtue d'or et une plaquette de quartz. La couche d'eau se transforme en glace VII après avoir été bombardée par un laser intense. © Arianna Gleason

La glace VII passée aux rayons X

La performance est d'autant plus spectaculaire que le changement de phase s'est produit en quelques milliardièmes de seconde. Pour obtenir ce changement, les chercheurs ont utilisé une technique à la base des expériences de fusion contrôlée dite inertielle et qui permet d'atteindre rapidement de très hautes pressions.

Ils ont ainsi commencé par placer un échantillon d'eau entre deux plaquettes, dont une était constituée de diamant. En bombardant cette dernière avec un flash laser, une partie de sa matière s'est vaporisée et, tout en quittant la plaquette, elle a exercé sur elle une pression de plus de 50.000 atmosphères, comme si on avait allumé sur elle un petit moteur-fusée.

Simultanément, un faisceau de rayons X intense produit par un laser à électrons libres (le plus puissant du monde et qui équipe le laboratoire Linac Coherent Light Source, à Stanford) est passé à travers les plaquettes et l'échantillon d'eau, permettant de révéler l'évolution de l'ordre microscopique par diffraction (une méthode au cœur des progrès fulgurants de la cristallographie depuis un siècle). L'équivalent de plusieurs photographies montrant l'apparition d'une structure à base de molécules d'eau a ainsi été pris pendant une durée d'environ 6 milliardièmes de seconde à l'aide d'une série de flashs en rayons X qui duraient eux-mêmes une femtoseconde, c'est-à-dire un millionième de milliardième de seconde.

L'un des résultats obtenus fut surprenant. Alors que la théorie prévoyait que les molécules d'eau allaient s'assembler en donnant des structures en forme de sphères, ce sont des structures en forme de barreaux qui ont été obtenues. Une fois de plus, la nature nous prouve que nous ne sommes pas au bout de nos surprises avec l'eau. Nous disposons en tout cas désormais d'un nouvel outil pour percer les secrets des différentes formes de glaces qui peuvent être rencontrées en dehors de la Terre et même du Système solaire.