Une nouvelle méthode théorique ouvre la voie à la modélisation de l'intérieur des géants de glace Uranus et Neptune, grâce à des simulations informatiques sur l'eau qu'ils contiennent. L'outil, développé par des scientifiques de SISSA à Trieste et de l'Université de Californie à Los Angeles et récemment publié dans Communication Nature , permet d'analyser les processus thermiques et électriques se produisant dans des conditions physiques souvent impossibles à reproduire expérimentalement, avec une approche beaucoup plus simple et peu coûteuse.

Dans cette recherche, les chercheurs ont analysé la conduction de l'électricité et de la chaleur de l'eau dans des conditions de température et de pression extrêmes, tels que ceux qui se produisent à l'intérieur des planètes géantes de glace ainsi que dans de nombreuses exo-planètes en dehors d'elles. Enquêter sur les phénomènes qui se produisent sous leur surface, En réalité, est la clé pour comprendre l'évolution de ces corps célestes, pour établir leur âge, et d'éclairer la géométrie et l'évolution de leurs champs magnétiques.

Des échelles microscopiques pour raconter des histoires de milliards d'années

"L'hydrogène et l'oxygène sont les éléments les plus communs dans l'Univers, avec l'hélium. Il est facile de déduire que l'eau est l'un des constituants majeurs de nombreux corps célestes. Ganymède et l'Europe, satellites de Jupiter, et Encelade, satellite de Saturne, présentent des surfaces glacées sous lesquelles se trouvent des océans d'eau. Neptune et Uranus sont aussi probablement composés principalement d'eau, " Federico Grasselli et Stefano Baroni, premier et dernier auteur, Explique.

"Notre connaissance des intérieurs planétaires, " disent les savants, "est basé sur les caractéristiques de la surface de la planète et du champ magnétique, qui sont eux-mêmes influencés par les caractéristiques physiques de leur structure interne, comme le transport de l'énergie, masse et charge à travers les couches intermédiaires internes. C'est pourquoi nous avons développé une méthode théorique et informatique pour calculer la conductivité thermique et électrique de l'eau, dans les phases et les conditions se produisant dans de tels corps célestes, partant de simulations de pointe sur la dynamique microscopique de quelques centaines d'atomes et intégrant la nature quantique des électrons sans autre approximation ad hoc. En simulant l'échelle atomique pour des fractions de nanoseconde, nous sommes capables de comprendre ce qui est arrivé à des masses énormes sur des échelles de temps de milliards d'années."

La glace, liquide ou superionique :Une eau totalement différente

Les chercheurs ont analysé trois phases différentes de l'eau :la glace, liquide, et superionique, dans les conditions extrêmes de température et de pression typiques des couches internes de ces planètes. Grasselli et Baroni expliquent :« Dans des conditions physiques si exotiques, nous ne pouvons pas penser à la glace comme nous en avons l'habitude. Même l'eau est en fait différente, plus dense, avec plusieurs molécules dissociées en ions positifs et négatifs, portant ainsi une charge électrique. L'eau superionique se situe quelque part entre les phases liquide et solide :les atomes d'oxygène du H 2 Les molécules O sont organisées en un réseau cristallin, tandis que les atomes d'hydrogène diffusent librement comme dans un fluide chargé. » L'étude des courants thermiques et électriques générés par l'eau sous ces trois formes différentes est essentielle pour faire la lumière sur de nombreuses questions non résolues.

Transport de chaleur et d'électricité pour comprendre le passé et le présent

Les deux scientifiques déclarent également que « les courants électriques internes sont à la base du champ magnétique de la planète. Si nous comprenons comment les premiers circulent, nous pouvons en apprendre beaucoup plus sur ce dernier. » Et pas seulement. « Les coefficients de transport thermique et électrique dictent l'histoire de la planète, comment et quand il a été formé, comment il s'est refroidi. Il est donc crucial de les analyser avec les outils appropriés, comme celui que nous avons développé. En particulier, les propriétés de conduction thermique qui ressortent de notre étude nous permettent d'émettre l'hypothèse que l'existence d'un noyau gelé peut expliquer la luminosité anormalement faible d'Uranus en raison d'un flux de chaleur extrêmement faible de son intérieur vers la surface."

Par ailleurs, la conductivité électrique trouvée pour la phase superionique est beaucoup plus grande que celle supposée dans les modèles précédents de génération de champ magnétique dans Uranus et Neptune. Étant donné que l'on pense que l'eau superionique domine les couches planétaires denses et lentes sous la région du fluide convectif où leur champ magnétique est généré, cette nouvelle preuve pourrait avoir un grand impact sur l'étude de la géométrie et de l'évolution des champs magnétiques des deux planètes.