Neptune et Uranus sont les deux planètes les plus éloignées de notre système solaire et deux géantes gazeuses. Crédit :NASA
Uranus et Neptune ont tous deux un champ magnétique complètement asymétrique, peut-être en raison des structures internes spéciales des planètes. Mais de nouvelles expériences menées par des chercheurs de l'ETH Zurich montrent désormais que le mystère reste entier.
Les deux grandes planètes gazeuses Uranus et Neptune ont d'étranges champs magnétiques. Ceux-ci sont chacun fortement inclinés par rapport aux axes de rotation de la planète et sont considérablement décalés par rapport au centre physique de la planète. La raison en est un mystère de longue date dans les sciences planétaires. Diverses théories supposent qu'une structure interne unique de ces planètes pourrait être responsable de ce phénomène étrange. Selon ces théories, le champ magnétique biaisé est provoqué par des circulations dans une couche convective, qui est constitué d'un fluide électriquement conducteur. Cette couche convective entoure à son tour une couche stable, couche non convective dans laquelle il n'y a pas de circulation du matériau du fait de sa viscosité élevée et donc pas de contribution au champ magnétique.
États extraordinaires
Des simulations informatiques montrent que l'eau et l'ammoniac, les principaux composants d'Uranus et de Neptune, entrer dans un état inhabituel à des pressions et températures très élevées :un "état superionique, " qui a les propriétés à la fois d'un solide et d'un liquide. Dans cet état, les ions hydrogène deviennent mobiles au sein de la structure réticulaire formée par l'oxygène ou l'azote.
Les champs magnétiques de la Terre, Uranus et Neptune diffèrent nettement. Crédit :ETH Zurich / T. Kimura
Des études expérimentales récentes confirment que l'eau superionique peut exister à la profondeur où, selon la théorie, la région à couches stables est localisée. Il se pourrait donc que la couche stratifiée soit formée de composants superioniques. Cependant, il n'est pas clair si les composants sont réellement capables de supprimer la convection, puisque les propriétés physiques de l'état superionique ne sont pas connues.
Haute pression dans le plus petit espace
Tomoaki Kimura et Motohiko Murakami du Département des sciences de la Terre de l'ETH Zurich sont maintenant sur un pas de plus pour trouver la réponse. Les deux chercheurs ont mené des expériences à haute pression et haute température avec de l'ammoniac dans leur laboratoire. Le but des expériences était de déterminer l'élasticité du matériau superionique. L'élasticité est l'une des propriétés physiques les plus importantes qui influence la convection thermique dans le manteau planétaire. Il est remarquable que l'élasticité des matériaux dans leurs états solide et liquide soit complètement différente.
Voici à quoi pourrait ressembler la structure interne des deux planètes gazeuses, selon les théories précédentes. Crédit :ETH Zurich / T. Kimura
Pour leurs enquêtes, les chercheurs ont utilisé un appareil à haute pression appelé cellule à enclume de diamant. Dans cet appareil, l'ammoniac est placé dans un petit récipient d'un diamètre d'environ 100 micromètres, qui est ensuite serré entre deux pointes en diamant qui compriment l'échantillon. Cela permet de soumettre les matériaux à des pressions extrêmement élevées, tels que ceux trouvés à l'intérieur d'Uranus et de Neptune.
L'échantillon est ensuite chauffé à plus de 2, 000 degrés Celsius avec un laser infrarouge. À la fois, un faisceau laser vert illumine l'échantillon. En mesurant le spectre d'onde de la lumière laser verte diffusée, les chercheurs peuvent déterminer l'élasticité du matériau et la liaison chimique dans l'ammoniac. Les déplacements du spectre des ondes à différentes pressions et températures peuvent être utilisés pour déterminer l'élasticité de l'ammoniac à différentes profondeurs.
Représentation schématique de la cellule de l'enclume en diamant. La structure chimique peut être déterminée avec le spectre Raman, et l'élasticité du matériau de l'échantillon avec la diffusion Brillouin. Crédit :ETH Zurich / T. Kimura
Une nouvelle phase découverte
Dans leurs mesures, Kimura et Murakami ont découvert une nouvelle phase d'ammoniac superionique (phase γ) qui présente une élasticité similaire à celle de la phase liquide. Cette nouvelle phase peut être stable dans l'intérieur profond d'Uranus et de Neptune et donc s'y produire. Cependant, l'ammoniac superionique se comporte comme un liquide et il ne serait donc pas assez visqueux pour contribuer à la formation de la couche non convective.
La question des propriétés de l'eau superionique à l'intérieur d'Uranus et de Neptune est d'autant plus urgente à la lumière des nouveaux résultats. Car même maintenant, le mystère de la raison pour laquelle les deux planètes ont un champ magnétique si irrégulier reste toujours non résolu.
