Les planètes géantes comme Uranus et Neptune peuvent contenir beaucoup moins d'hydrogène libre qu'on ne le supposait auparavant. Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) allemand ont conduit des ondes de choc à travers deux types de plastique pour atteindre les mêmes températures et pressions présentes à l'intérieur de ces planètes, et observé le comportement en utilisant des impulsions laser à rayons X ultra-fortes. De façon inattendue, l'un de ces plastiques a conservé sa structure cristalline même aux pressions les plus extrêmes atteintes. Étant donné que les intérieurs géants glacés sont constitués des mêmes composants que le plastique, il faudra peut-être reconsidérer partiellement les modèles planétaires, comme indiqué dans le journal Rapports scientifiques .

Le carbone et l'hydrogène sont parmi les éléments les plus abondants dans l'univers, et sont des constituants majeurs des planètes géantes glacées telles qu'Uranus et Neptune. Dans l'atmosphère extérieure, ces atomes se trouvent sous forme de gaz méthane, mais plus profondément à l'intérieur, une pression élevée peut conduire à des structures d'hydrocarbures plus complexes. Prédire les phases et les structures que prend le matériau dans ces conditions est l'une des grandes questions de la recherche planétaire.

Afin de mieux comprendre la structure des géantes de glace, une équipe internationale dirigée par les deux chercheurs du HZDR, Dr Nicholas Hartley et Dr Dominik Kraus, a étudié deux types de plastique dans une expérience de laboratoire :le polystyrène et le polyéthylène. Ces matériaux sont similaires en chimie à l'hydrocarbure à l'intérieur des planètes. Au SLAC National Accelerator Laboratory aux États-Unis, les scientifiques ont exposé les échantillons à des conditions prévues autour de 10, 000 kilomètres sous la surface de Neptune et d'Uranus. A cette profondeur, la pression est presque aussi élevée qu'au cœur de la Terre et 2 millions de fois supérieure à la pression atmosphérique à la surface de la Terre.

Atteindre des pressions extrêmement élevées

À des pressions et températures aussi élevées, la seule structure possible que les chercheurs attendaient était le diamant, ou que les échantillons seraient fondus. Au lieu, ils ont observé des structures d'hydrocarbures stables jusqu'aux plus hautes pressions atteintes, mais seulement pour les échantillons de polyéthylène. "Nous avons été très surpris par ce résultat, " dit Hartley. " Nous ne nous attendions pas à ce que l'état initial différent fasse une si grande différence dans des conditions aussi extrêmes. Ce n'est que récemment, avec le développement de sources de rayons X plus lumineuses, que nous sommes en mesure d'étudier ces matériaux. Nous avons été les premiers à penser que cela pourrait être possible, et c'était le cas."

Étant donné que les conditions extrêmes à l'intérieur des géantes de glace sur Terre ne peuvent être atteintes que pendant un bref instant, les chercheurs ont besoin de méthodes de mesure ultra-rapides. Il n'y a qu'une poignée d'installations laser à rayons X ultrarapides dans le monde, et le temps pour les mesures est rare et très demandé. Kraus et Hartley ont reçu un total de trois quarts de 12 heures pour leurs expériences, et a donc dû utiliser chaque minute pour effectuer autant de séries de mesures que possible. Choquer l'échantillon et la sonde avec le laser à rayons X ne prend que quelques milliardièmes de seconde.

Même pendant les expériences, les chercheurs ont pu reconnaître les premiers résultats :« Nous étions très enthousiastes car, comme espéré, le polystyrène a formé des structures de carbone en forme de diamant. Pour le polyéthylène, cependant, nous n'avons vu aucun diamant pour les conditions atteintes dans cette expérience. Au lieu, il y avait une nouvelle structure que nous ne pouvions pas expliquer au début, " se souvient Hartley. En comparant les données avec les résultats précédents à des pressions inférieures, ils l'ont identifié comme une structure stable de polyéthylène, qui avait été vu à une pression cinq fois inférieure, et uniquement à température ambiante.

La découverte démontre l'importance de mieux caractériser les conditions de température et de pression à l'intérieur des géantes de glace, et la chimie à laquelle ils conduisent, afin de comprendre leur structure et leurs propriétés physiques. Les modèles d'Uranus et de Neptune supposent que les champs magnétiques inhabituels de ces planètes peuvent provenir de l'hydrogène libre, que ces résultats pourraient impliquer est moins fréquent que prévu. À l'avenir, les chercheurs souhaitent utiliser des mélanges comprenant de l'oxygène afin de mieux correspondre à la chimie à l'intérieur des planètes.