Au-delà de notre système solaire, visible seulement comme le plus petit point dans l'espace avec même les télescopes les plus puissants, d'autres mondes existent. Beaucoup de ces mondes, les astronomes ont découvert, peut être beaucoup plus grande que la Terre et complètement recouverte d'eau - essentiellement des planètes océaniques sans masses continentales saillantes. Quel genre de vie pourrait se développer sur un tel monde ? Un habitat comme celui-ci pourrait-il même soutenir la vie?

Une équipe de chercheurs dirigée par l'Arizona State University (ASU) a récemment entrepris d'enquêter sur ces questions. Et comme ils ne pouvaient pas se rendre sur des exoplanètes lointaines pour prélever des échantillons, ils ont décidé de recréer les conditions de ces mondes aquatiques en laboratoire. Dans ce cas, ce laboratoire était l'Advanced Photon Source (APS), une installation d'utilisateurs du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au laboratoire national d'Argonne du DOE.

Ce qu'ils ont trouvé - récemment publié dans Actes de l'Académie nationale des sciences —était une nouvelle phase de transition entre la silice et l'eau, indiquant que la frontière entre l'eau et la roche sur ces exoplanètes n'est pas aussi solide qu'elle l'est ici sur Terre. Cette découverte cruciale pourrait changer la façon dont les astronomes et les astrophysiciens ont modélisé ces exoplanètes, et d'informer la façon dont nous pensons à la vie évoluant sur eux.

Dan Shim, professeur agrégé à l'ASU, a dirigé cette nouvelle recherche. Shim dirige le laboratoire de l'ASU pour les matériaux terrestres et planétaires et est depuis longtemps fasciné par la composition géologique et écologique de ces mondes lointains. Cette composition, il a dit, n'a rien à voir avec n'importe quelle planète de notre système solaire - ces planètes peuvent avoir plus de 50% d'eau ou de glace au sommet de leurs couches rocheuses, et ces couches rocheuses devraient exister à des températures très élevées et sous une pression écrasante.

« Déterminer la géologie des exoplanètes est difficile, puisque nous ne pouvons pas utiliser de télescopes ou envoyer des rovers à leurs surfaces, " dit Shim. " Alors nous essayons de simuler la géologie dans le laboratoire. "

Comment fait-on ça ? D'abord, vous avez besoin des bons outils. Pour cette expérience, Shim et son équipe ont apporté leurs échantillons à deux lignes de lumière APS :GeoSoilEnviroCARS (GSECARS) à la ligne de lumière 13-ID-D, géré par l'Université de Chicago, et l'équipe d'accès collaboratif haute pression (HPCAT) à la ligne de lumière 16-ID-B, exploité par la Division des sciences des rayons X d'Argonne.

Les échantillons ont été compressés dans des alvéoles à enclume de diamant, essentiellement deux diamants de qualité gemme avec de minuscules pointes plates. Placez un échantillon entre eux et vous pouvez serrer les diamants ensemble, augmentant la pression.

"Nous pouvons augmenter la pression jusqu'à plusieurs millions d'atmosphères, " a déclaré Yue Meng, un physicien de la division des sciences des rayons X d'Argonne et co-auteur de l'article. Meng était l'un des principaux concepteurs des techniques utilisées à HPCAT, spécialisée dans la haute pression, expériences à haute température.

"L'APS est l'un des rares endroits au monde où l'on peut mener ce genre de recherche de pointe, " dit-elle. " Les scientifiques de la ligne de lumière, techniciens et ingénieurs rendent cette recherche possible.

La pression des exoplanètes, Shim a dit, peut être calculé, même si les données dont nous disposons sur ces planètes sont limitées. Les astronomes peuvent mesurer la masse et la densité, et si la taille et la masse de la planète sont connues, la bonne pression peut être déterminée.

Une fois l'échantillon sous pression, des lasers infrarouges, qui peuvent être ajustés à une largeur inférieure à la largeur d'une cellule sanguine humaine, sont utilisés pour la chauffer. "Nous pouvons amener l'échantillon jusqu'à des milliers de degrés Fahrenheit, " a déclaré Vitali Prakapenka, un scientifique des lignes de lumière au GSECARS, professeur-chercheur à l'Université de Chicago et co-auteur de l'article. "Nous avons deux lasers haute puissance qui brillent sur l'échantillon des deux côtés précisément alignés avec une sonde à rayons X APS ultra-lumineuse et des mesures de température le long des chemins optiques avec une précision inférieure au micron."

La température des exoplanètes est plus difficile à mesurer, car il y a tellement de facteurs qui le déterminent :la quantité de chaleur contenue à l'intérieur de la planète, l'âge de la planète, et la quantité d'isotopes radioactifs se désintégrant à l'intérieur de la structure, dégageant plus de chaleur. L'équipe de Shim a calculé une plage de températures à partir de laquelle travailler.

Une fois l'échantillon pressurisé et chauffé, Les faisceaux de rayons X ultra-lumineux de l'APS (qui peuvent voir à travers les diamants et dans l'échantillon lui-même) peuvent permettre aux scientifiques de prendre des instantanés des changements de structure à l'échelle atomique au cours des réactions chimiques au fur et à mesure qu'elles se produisent. Dans ce cas, Shim et son équipe ont plongé une petite quantité de silice dans l'eau, augmenté la pression et la température, et surveillé comment les matériaux réagiraient.

Ce qu'ils ont découvert, c'est qu'à une température et une pression élevées d'environ 30 gigapascals (environ 300, 000 fois la pression atmosphérique standard sur Terre), l'eau et la roche commencent à fusionner.

"Si vous deviez construire une planète avec de l'eau et de la roche, vous supposeriez que l'eau forme une couche au-dessus de la roche, " dit-il. " Ce que nous avons trouvé, c'est que ce n'est pas nécessairement vrai. Avec suffisamment de chaleur et de pression, la frontière entre la roche et l'eau devient floue."

C'est une idée nouvelle qu'il faudra intégrer dans les modèles d'exoplanètes, dit Prakapenka.

"Le point principal est qu'il indique aux personnes modélisant la structure de ces planètes que la composition est plus compliquée que nous le pensions, " a dit Prakapenka. " Avant que nous croyions qu'il y avait une séparation entre la roche et l'eau, mais sur la base de ces études, il n'y a pas de frontière nette."

Les scientifiques ont déjà mené des expériences similaires, Shim a dit, mais ceux-ci étaient fondés sur un environnement semblable à celui de la Terre avec de plus petits incréments d'eau. L'observation de cette nouvelle transition de phase donne aux modélisateurs une meilleure idée de la composition géologique réelle des exoplanètes riches en eau, et aussi des aperçus sur les types de vie qui pourraient appeler ces exoplanètes chez eux.

"C'est un point de départ pour construire le fonctionnement de la chimie sur ces planètes, " a déclaré Shim. " La façon dont l'eau interagit avec la roche est importante pour la vie sur Terre, et donc, il est également important de comprendre le type de vie qui pourrait exister sur certains de ces mondes."

Shim reconnaît que cette recherche n'est pas la première chose que l'on puisse imaginer en pensant à une source de lumière comme l'APS. Mais c'est exactement cette diversité qui, selon lui, est un avantage des installations d'utilisateurs à grande échelle.

« Les gens pensent à peine à l'astrophysique lorsqu'ils parlent d'une installation à rayons X, " a-t-il dit. " Mais nous pouvons utiliser une installation comme l'APS pour comprendre un objet trop éloigné pour que nous puissions le voir. "