Avec des expériences à haute pression à la source lumineuse à rayons X PETRA III de DESY et dans d'autres installations, une équipe de recherche autour de Leonid Dubrovinsky de l'Université de Bayreuth a résolu une énigme de longue date dans l'analyse des météorites de la Lune et de Mars. L'étude, publié dans la revue Communication Nature , peut expliquer pourquoi différentes versions de silice peuvent coexister dans les météorites, bien qu'ils nécessitent normalement des conditions très différentes pour se former. Les résultats signifient également que les évaluations précédentes des conditions dans lesquelles les météorites se sont formées doivent être soigneusement reconsidérées.

Les scientifiques ont étudié un minéral de dioxyde de silicium (SiO2) appelé cristobalite. "Ce minéral présente un intérêt particulier lors de l'étude d'échantillons planétaires, comme les météorites, car c'est le minéral de silice prédominant dans les matériaux extraterrestres, " explique la première auteure Ana Černok du Bayerisches Geoinstitut (BGI) à l'Université de Bayreuth, qui est maintenant basé à l'Open University au Royaume-Uni. "La cristobalite a la même composition chimique que le quartz, mais la structure est sensiblement différente, " ajoute le co-auteur Razvan Caracas du CNRS, ENS de Lyon.

Différent du quartz omniprésent, la cristobalite est relativement rare à la surface de la Terre, car il ne se forme qu'à des températures très élevées dans des conditions particulières. Mais c'est assez fréquent dans les météorites de la Lune et de Mars. Éjecté par les impacts d'astéroïdes de la surface de la Lune ou de Mars, ces roches sont finalement tombées sur Terre.

Étonnamment, les chercheurs ont également trouvé la seifertite minérale de silice avec la cristobalite dans les météorites martiennes et lunaires. La seifertite a été synthétisée pour la première fois par Dubrovinsky et ses collègues il y a 20 ans et a besoin de pressions extrêmement élevées pour se former. "Trouver de la cristobalite et de la seifertite dans le même grain de matériau météoritique est énigmatique, car ils se forment sous des pressions et des températures très différentes, " souligne Dubrovinsky. " Déclenché par cette curieuse observation, le comportement de la cristobalite aux hautes pressions a été examiné par de nombreuses études expérimentales et théoriques depuis plus de deux décennies, mais le puzzle n'a pas pu être résolu."

En utilisant les rayons X intenses de PETRA III à DESY et de l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron ESRF à Grenoble (France), les scientifiques pouvaient désormais obtenir des vues sans précédent sur la structure de la cristobalite sous des pressions allant jusqu'à 83 giga-pascals (GPa), ce qui correspond à environ 820, 000 fois la pression atmosphérique. "Les expériences ont montré que lorsque la cristobalite est comprimée uniformément ou presque uniformément - ou comme on dit, dans des conditions hydrostatiques ou quasi-hydrostatiques - il suppose une phase haute pression marquée cristobalite X-I, " explique la co-auteur de DESY, Elena Bykova, qui travaille sur la ligne de lumière Extreme Conditions P02.2 à PETRA III, où les expériences ont eu lieu. "Cette phase de haute pression revient à la cristobalite normale lorsque la pression est relâchée."

Mais si la cristobalite est comprimée de manière inégale dans ce que les scientifiques appellent des conditions non hydrostatiques, il se transforme de façon inattendue en une structure de type seifertite, comme les expériences l'ont maintenant montré. Cette structure se forme sous une pression nettement inférieure à ce qui est nécessaire pour former de la seifertite à partir de silice ordinaire. « Les calculs ab initio confirment la stabilité dynamique de la nouvelle phase jusqu'aux hautes pressions, " dit Caracas. De plus, il reste également stable lorsque la pression est relâchée. " Cela a été une surprise, " dit ernok. "Notre étude clarifie comment la cristobalite pressée peut se transformer en seifertite à une pression beaucoup plus basse que prévu. Par conséquent, les météorites qui contiennent de la seifertite associée à de la cristobalite n'ont pas forcément subi d'impacts massifs. la propagation de l'onde de choc à travers la roche peut créer des modèles de contraintes très complexes même avec des zones d'intersection de matériaux comprimés hydrostatiquement et non hydrostatiquement, de sorte que différentes versions de silice peuvent se former dans la même météorite.

"Ces résultats ont des implications immédiates pour l'étude des processus d'impact dans le système solaire, " souligne Dubrovinsky. " Elles fournissent des preuves claires que ni la cristobalite ni la seifertite ne doivent être considérées comme des traceurs fiables des conditions de choc de pointe subies par les météorites. " Mais les observations montrent aussi plus généralement qu'un même matériau peut réagir de manière très différente aux compression hydrostatique, comme l'explique Dubrovinsky. "Pour les sciences des matériaux, nos résultats suggèrent un mécanisme supplémentaire pour la manipulation des propriétés des matériaux :outre la pression et la température, différentes formes de stress peuvent conduire à un comportement complètement différent de la matière solide."