En utilisant des faisceaux laser de haute puissance, des chercheurs ont simulé les conditions à l'intérieur d'une planète trois fois plus grande que la Terre.

Les scientifiques en ont identifié plus de 2, 000 de ces "super-Terres, " des exoplanètes plus grandes que la Terre mais plus petites que Neptune, la prochaine plus grande planète de notre système solaire. En étudiant comment les alliages de fer et de silicium réagissent à des pressions extraordinaires, les scientifiques acquièrent de nouvelles connaissances sur la nature des super-Terres et de leurs noyaux.

"Nous avons maintenant une technique qui nous permet d'accéder directement aux pressions extrêmes des intérieurs profonds des exoplanètes et de mesurer des propriétés importantes, " a déclaré Thomas Duffy, professeur de géosciences à Princeton. "Précédemment, les scientifiques étaient limités soit à des calculs théoriques, soit à de longues extrapolations de données de basse pression. La possibilité d'effectuer des expériences directes nous permet de tester les résultats théoriques et offre un degré de confiance beaucoup plus élevé dans nos modèles sur le comportement des matériaux dans ces conditions extrêmes. »

L'oeuvre, qui a abouti aux données de diffraction des rayons X à la plus haute pression jamais enregistrées, a été dirigée par June Wicks lorsqu'elle était chercheuse associée à Princeton, travaillant avec Duffy et ses collègues du Lawrence Livermore National Laboratory et de l'Université de Rochester. Leurs résultats ont été publiés aujourd'hui dans la revue Avancées scientifiques .

Parce que les super-Terres n'ont pas d'analogues directs dans notre propre système solaire, les scientifiques sont impatients d'en savoir plus sur leurs structures et compositions possibles, et ainsi mieux comprendre les types d'architectures planétaires qui peuvent exister dans notre galaxie. Mais ils sont confrontés à deux limitations principales :nous n'avons pas de mesures directes de notre propre noyau planétaire à partir desquelles extrapoler, et les pressions intérieures dans les super-Terres peuvent atteindre plus de 10 fois la pression au centre de la Terre, bien au-delà de la gamme des techniques expérimentales conventionnelles.

Les pressions atteintes dans cette étude—jusqu'à 1, 314 gigapascals (GPa) - sont environ trois fois plus élevés que les expériences précédentes, les rendant plus directement utiles pour modéliser la structure intérieure de grands, exoplanètes rocheuses, dit Duffy.

"La plupart des expériences à haute pression utilisent des cellules à enclume de diamant qui atteignent rarement plus de 300 GPa, " soit 3 millions de fois la pression à la surface de la Terre, il a dit. Les pressions dans le noyau terrestre atteignent jusqu'à 360 GPa.

"Notre approche est plus récente, et de nombreuses personnes dans la communauté ne le connaissent pas encore aussi bien, mais nous avons montré dans ce travail (et dans le passé) que nous pouvons régulièrement atteindre des pressions supérieures à 1, 000 GPa ou plus (mais seulement pour une fraction de seconde). Notre capacité à combiner cette très haute pression avec la diffraction des rayons X pour obtenir des informations structurelles nous fournit un nouvel outil pour explorer les intérieurs planétaires, " il a dit.

Les chercheurs ont compressé deux échantillons pendant seulement quelques milliardièmes de seconde, juste assez longtemps pour sonder la structure atomique à l'aide d'une impulsion de rayons X brillants. Le diagramme de diffraction résultant a fourni des informations sur la densité et la structure cristalline des alliages fer-silicium, révélant que la structure cristalline a changé avec une teneur en silicium plus élevée.

"La méthode de diffraction simultanée des rayons X et d'expériences de choc en est encore à ses balbutiements, il est donc passionnant de voir une « application dans le monde réel » pour le noyau de la Terre et au-delà, " a déclaré Kanani Lee, un professeur agrégé de géologie et de géophysique à l'Université de Yale qui n'était pas impliqué dans cette recherche.

Cette nouvelle technique constitue une contribution "très significative" dans le domaine de la recherche sur les exoplanètes, dit Diana Valencia, un pionnier dans le domaine et un professeur adjoint de physique à l'Université de Toronto-Scarborough, qui n'a pas participé à cette recherche. « C'est une bonne étude parce que nous n'extrapolons pas seulement à partir de basses pressions et espérons le meilleur. Cela nous donne en fait ce « meilleur », ' nous donnant ces données, et cela contraint donc mieux nos modèles."

Wicks et ses collègues ont dirigé un faisceau laser court mais intense sur deux échantillons de fer :l'un allié à 7 % en poids de silicium, similaire à la composition modélisée du noyau terrestre, et un autre avec 15 % en poids de silicium, une composition possible dans les noyaux exoplanétaires.

Le noyau d'une planète exerce un contrôle sur son champ magnétique, évolution thermique et relation masse-rayon, dit Duffy. "Nous savons que le noyau de la Terre est un alliage de fer avec environ 10 pour cent d'un élément plus léger, et le silicium est l'un des meilleurs candidats pour cet élément léger à la fois pour la Terre et les planètes extrasolaires."

Les chercheurs ont découvert qu'à des pressions ultra-élevées, l'alliage à faible teneur en silicium a organisé sa structure cristalline en une structure hexagonale compacte, tandis que l'alliage à plus haute teneur en silicium utilisait une garniture cubique centrée sur le corps. Cette différence atomique a d'énormes implications, dit Wicks, qui est maintenant professeur adjoint à l'Université Johns Hopkins.

"La connaissance de la structure cristalline est l'information la plus fondamentale sur le matériau constituant l'intérieur d'une planète, comme toutes les autres propriétés physiques et chimiques découlent de la structure cristalline, " elle a dit.

Wicks et ses collègues ont également mesuré la densité des alliages fer-silicium sur une gamme de pressions. Ils ont découvert qu'aux pressions les plus élevées, les alliages fer-silicium atteignent 17 à 18 grammes par centimètre cube, soit environ 2,5 fois plus denses qu'à la surface de la Terre, et comparable à la densité de l'or ou du platine à la surface de la Terre. Ils ont également comparé leurs résultats à des études similaires réalisées sur du fer pur et ont découvert que les alliages de silicium sont moins denses que le fer non allié, même sous des pressions extrêmes.

"Un noyau de fer pur n'est pas réaliste, " dit Duffy, "car le processus de formation planétaire conduira inévitablement à l'incorporation de quantités importantes d'éléments plus légers. Notre étude est la première à considérer ces compositions de noyau plus réalistes."

Les chercheurs ont calculé la densité et la distribution de la pression à l'intérieur des super-Terres, prenant en compte pour la première fois la présence de silicium dans le coeur. Ils ont découvert que l'incorporation de silicium augmente la taille modélisée d'un noyau planétaire mais réduit sa pression centrale.

Des recherches futures examineront comment d'autres éléments légers, comme le carbone ou le soufre, affecter la structure et la densité du fer dans des conditions de pression ultra-élevée. Les chercheurs espèrent également mesurer d'autres propriétés physiques clés des alliages de fer, pour contraindre davantage les modèles d'intérieurs d'exoplanètes.

"Pour un géologue, la découverte de tant de planètes extrasolaires a ouvert la porte à un nouveau champ d'exploration, " a déclaré Duffy. " Nous réalisons maintenant que les variétés de planètes qui existent vont bien au-delà des exemples limités de notre propre système solaire, et il y a un champ de pression beaucoup plus large, espace de température et de composition qui doit être exploré. Comprendre la structure intérieure et la composition de ces grands corps rocheux est nécessaire pour sonder des questions fondamentales telles que l'existence possible de la tectonique des plaques, génération de champ magnétique, leur évolution thermique et même s'ils sont potentiellement habitables."