La Z-machine en plein fonctionnement. Malgré la présence d'eau dé-ionisée pour assurer une isolation d'une partie du dispositif, des éclairs impressionnants sont produits. © Sandia Corporation
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Des scientifiques reproduisent l'intérieur des superterres sur Terre avec la Z-machine

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Les superterres ont des tailles supérieures à celle de la Terre et si elles possèdent des atmosphères, certaines sont peut-être habitables. On cherche à déterminer à quelles conditions leurs manteaux peuvent fondre en donnant un noyau liquide métallique générant un champ magnétique protecteur, en reproduisant sur Terre l'état de ces manteaux rocheux.

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Une équipe de physiciens vient de publier dans Nature Communications les résultats de travaux qui auraient sans aucun doute intéressé Percy Williams Bridgman (1882-1961), l'un des pionniers de la physique des hautes pressions. En mettant au point une technique permettant de soumettre des échantillons de matière à des pressions dépassant 100.000 atmosphères, le physicien a fait des découvertes qui lui ont valu le prix Nobel de physique de 1946. On peut citer, par exemple, celle de l'existence de nouvelles phases de la glace.

On lui doit surtout l'idée des cellules à enclumes, qui ont permis de faire des expériences concernant l'état des roches à l'intérieur de la Terre ou de la matière dans le cœur des planètes géantes comme Jupiter. Les cellules à enclumes de Bridgman étaient initialement composées de carbure de tungstène. Elles ont pavé la voie aux cellules à enclumes de diamant, que l'on utilise aujourd'hui de façon routinière pour les expériences de physique à haute pression.

Le prix Nobel de physique 1946 Percy Williams Bridgman (1882-1961) a ouvert la voie à l'étude de la matière à haute pression à l'intérieur des planètes. Il a eu comme étudiants Robert Oppenheimer, le grand géophysicien Francis Birch et le futur prix Nobel de physique (1977) John Hasbrouck van Vleck. On le considère comme l'un des théoriciens les plus influents de l'opérationnalisme en épistémologie. © Fondation Nobel

De la Terre aux superterres

Aujourd'hui, les spécialistes des hautes pressions et les planétologues ont des ambitions encore plus larges. Ils veulent comprendre les intérieurs des exoplanètes et en particulier de celles qui sont rocheuses. Cette compréhension est d'importance pour préciser les conditions d'habitabilité des exoplanètes telluriques et donc contribuer à faire progresser l'exobiologie.

L'étude de la Terre nous a appris que son habitabilité était reliée à la tectonique des plaques qui joue un rôle de régulateur en ce qui concerne un emballement par effet de serre ou, au contraire, l'entrée dans une glaciation quasi globale avec le gaz carbonique. La présence d'un important bouclier magnétique représente un facteur de protection contre l’érosion de l’atmosphère qui a été fatale dans le cas de Mars.

Si l'on transpose ces considérations aux exoplanètes et en particulier aux superterres, il apparaît donc normal de modéliser l'intérieur des superterres pour obtenir des connaissances supplémentaires, nous permettant d'évaluer à quel point elles peuvent permettre l'apparition de la vie et son évolution vers des formes complexes. On ne peut pas séparer l'atmosphère d'une exoplanète tellurique de son intérieur et des échanges existant entre eux. Mais pour atteindre autant que possible une modélisation scientifique de l'intérieur des superterres, il faut non seulement faire des calculs analytiques et des simulations numériques mais être guidé par des expériences. Expériences servant aussi à contrôler la validité des hypothèses et des théories proposées.

Le destin des atmosphères des superterres est en partie déterminé par l'existence d'un champ magnétique protecteur généré par une dynamo interne. Ce photomontage avec des vues d'artiste et une photo de la Z-machine en fonctionnement illustre cette idée. © Eric Lundin, photo de la Z-Machine Randy Montoya

La striction magnétique pour sonder la physique des hautes pressions

Mais pour reproduire sur Terre les conditions de pression et de température régnant au cœur des superterres, il est bon de disposer d'instruments spectaculaires, car la performance n'est en rien évidente. Heureusement, une équipe de chercheurs états-uniens des laboratoires Sandia à Albuquerque (Nouveau-Mexique) et de la Carnegie Institution for Science (Washington, D.C) disposait de la fameuse Z-machine.

Elle a fait parler d'elle en atteignant de façon imprévue des températures de deux milliards de degrés en 2006 en utilisant une technique de compression de la matière dite à striction axiale (ou appelée aussi Z-pinch, ce qui explique le nom de la machine). Tout comme dans le cas de la fusion inertielle par laser, cela permet de comprimer une capsule de combustible, donc un cylindre à symétrie axiale, à l'aide d'impulsions magnétiques. On parle de magnetized liner inertial fusion (Maglif).

Transformés en exogéophysiciens, les chercheurs ont mené leurs travaux en utilisant un silicate de magnésium dont on sait qu'il est le plus abondant dans le manteau terrestre et qui a reçu le nom de bridgmanite en l'honneur du pionnier de la physique des hautes pressions.

Une présentation de la Z-Machine. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Sandia National Labs

Des superterres protégées par des champs magnétiques ?

Les échantillons de bridgmanite ont été pris en sandwich entre des plaques de cuivre et d'aluminium de la taille d'une carte de crédit. Ces plaques étaient propulsées à la vitesse d'une balle de fusil sous l'action de champs magnétiques générés par des courants de 26 millions d'ampères.

L'impact des plaques sur les échantillons de roche y a provoqué l'équivalent des ondes sismiques. Les vitesses de propagation de ces ondes et leurs autres caractéristiques étant reliées à l'état de la matière traversée, il était possible d'en déduire si l'on était en présence d'un liquide, d'un gaz ou d'un solide et donc de dresser les courbes - les abaques décrivant les changements d'état de la bridgmanite en réponse aux pressions générées.

Forts de ces résultats, les planétologues ont pu préciser à quelles conditions de tailles et de compositions des superterres allaient posséder un noyau métallique liquide issu de la fusion de leur manteau et capable de générer une magnétosphère protectrice. Ils en ont déduit que plusieurs superterres déjà connues pouvaient être prometteuses pour des observations plus détaillées dans un futur proche, car susceptibles d'avoir conservé une atmosphère grâce à leurs champs de gravité et à un bouclier magnétique.

En l'occurrence, il s'agit de 55 Cancri e ; Kepler 10b, 36b, 80e, et 93b ; CoRoT-7b ; et HD-219134b.

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