Loin sous la surface de la Terre, environ 1, 800 milles de profondeur, se trouve une région magmatique agitée prise en sandwich entre le manteau solide à base de silicate et le noyau riche en fer en fusion :la limite noyau-manteau. C'est un vestige des temps anciens, les jours primordiaux il y a environ 4,5 milliards d'années lorsque la planète entière était en fusion, une mer infinie de magma. Bien que les pressions et températures extrêmes de la région rendent l'étude difficile, il contient des indices sur l'histoire mystérieuse de l'origine du monde tel que nous le connaissons.

"Nous essayons toujours de comprendre comment la Terre a réellement commencé à se former, comment elle est passée d'une planète en fusion à une planète avec des créatures vivantes se promenant sur son manteau et sa croûte de silicate, " dit Arianna Gleason, un scientifique du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie. « En savoir plus sur les manières étranges dont les matériaux se comportent sous différentes pressions peut nous donner quelques indices. »

Maintenant, les scientifiques ont mis au point un moyen d'étudier les silicates liquides dans les conditions extrêmes rencontrées à la limite noyau-manteau. Cela pourrait conduire à une meilleure compréhension des premiers jours de fusion de la Terre, qui pourrait même s'étendre à d'autres planètes rocheuses. La recherche a été dirigée par les scientifiques Guillaume Morard et Alessandra Ravasio. L'équipe, qui comprenait Gleason et d'autres chercheurs du SLAC et de l'Université de Stanford, ont publié leurs conclusions cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Il y a des caractéristiques des liquides et des verres, en particulier les masses fondues de silicate, qu'on ne comprend pas, " dit Morard, chercheur à l'Université de Grenoble et Sorbonne Université en France. "Le problème est que les matériaux en fusion sont intrinsèquement plus difficiles à étudier. Grâce à nos expériences, nous avons pu sonder des matériaux géophysiques aux températures et pressions extrêmement élevées de la Terre profonde pour s'attaquer à leur structure liquide et apprendre comment ils se comportent. À l'avenir, nous allons pouvoir utiliser ce type d'expériences pour recréer les premiers instants de la Terre et comprendre les processus qui l'ont façonnée."

Plus chaud que le soleil

Au laser à électrons libres à rayons X de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, les chercheurs ont d'abord envoyé une onde de choc à travers un échantillon de silicate avec un laser optique soigneusement réglé. Cela leur a permis d'atteindre des pressions qui imitent celles du manteau terrestre, 10 fois plus élevé que précédemment réalisé avec des silicates liquides, et des températures allant jusqu'à 6, 000 Kelvin, légèrement plus chaud que la surface du soleil.

Prochain, les chercheurs ont frappé l'échantillon avec des impulsions laser à rayons X ultrarapides du LCLS au moment précis où l'onde de choc a atteint la pression et la température souhaitées. Certains des rayons X se sont ensuite diffusés dans un détecteur et ont formé un diagramme de diffraction. Tout comme chaque personne a son propre ensemble d'empreintes digitales, la structure atomique des matériaux est souvent unique. Les motifs de diffraction révèlent que l'empreinte matérielle, permettant aux chercheurs de suivre comment les atomes de l'échantillon se sont réarrangés en réponse à l'augmentation de la pression et de la température pendant l'onde de choc. Ils ont comparé leurs résultats à ceux d'expériences et de simulations moléculaires précédentes pour révéler une chronologie évolutive commune des verres et des silicates liquides à haute pression.

"C'est passionnant de pouvoir rassembler toutes ces différentes techniques et d'obtenir des résultats similaires, " déclare Hae Ja Lee, scientifique et co-auteur du SLAC. " Cela nous permet de trouver un cadre combiné qui a du sens et de faire un pas en avant. C'est très complet par rapport à d'autres études."

Relier l'atomistique au planétaire

À l'avenir, la mise à niveau LCLS-II, ainsi que des mises à niveau de l'instrument Matter in Extreme Conditions (MEC) où cette recherche a été effectuée, permettra aux scientifiques de recréer les conditions extrêmes rencontrées dans le noyau interne et externe pour en apprendre davantage sur le comportement du fer et le rôle qu'il joue dans la génération et la formation du champ magnétique terrestre.

Pour faire suite à cette étude, les chercheurs prévoient d'effectuer des expériences à des énergies de rayons X plus élevées pour effectuer des mesures plus précises de l'arrangement atomique des silicates liquides. Ils espèrent également atteindre des températures et des pressions plus élevées pour mieux comprendre comment ces processus se déroulent sur des planètes plus grandes que la Terre, les super-Terres ou exoplanètes, et comment la taille et l'emplacement d'une planète influencent sa composition.

"Cette recherche nous permet de relier l'atomistique au planétaire, " dit Gleason. " Depuis ce mois-ci, plus de 4, 000 exoplanètes ont été découvertes, dont environ 55 sont positionnés dans la zone habitable de leurs étoiles où il est possible que de l'eau liquide existe. Certains d'entre eux ont évolué au point où nous pensons qu'il existe un noyau métallique qui pourrait générer des champs magnétiques, qui protègent les planètes des vents stellaires et du rayonnement cosmique. Il y a tellement de pièces qui doivent se mettre en place pour que la vie se forme et se maintienne. Faire les mesures importantes pour mieux comprendre la construction de ces planètes est crucial en cette ère de découverte."