Meteor Crater en Arizona, formé par un impact de météore 50, il y a 000 ans, contient des morceaux d'un disque dur, forme comprimée de silice appelée stishovite. Crédits :Nikolas_jkd/iStock
Des études menées au laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie ont permis de faire les premières observations en temps réel sur la façon dont la silice - un matériau abondant dans la croûte terrestre - se transforme facilement en un verre dense lorsqu'elle est frappée par une onde de choc massive comme celle générée par un impact de météore. .
Les résultats impliquent que les météores frappant la Terre et d'autres objets célestes sont plus petits qu'on ne le pensait à l'origine. Ces nouvelles informations seront importantes pour modéliser la formation des corps planétaires et interpréter les preuves d'impacts au sol.
Les expériences ont eu lieu au laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, une installation utilisateur du DOE Office of Science dont les impulsions ultrarapides peuvent révéler des processus se déroulant en millionièmes de milliardième de seconde avec une résolution atomique.
"Nous avons pu pour la première fois vraiment visualiser du début à la fin ce qui se passe dans un matériau qui constitue une grande partie de la croûte terrestre, " a déclaré Arianna Gleason du Laboratoire national de Los Alamos (LANL) du DOE, l'investigateur principal de l'étude, qui a été publié le 14 novembre dans Communication Nature .
Comment le verre choqué obtient-il de cette façon?
Les scientifiques savent depuis longtemps que les impacts des météores convertissent les silicates en un phase amorphe connue sous le nom de verre choqué. La question est de savoir comment se forme ce verre choqué.
Autrefois, les scientifiques ont essayé d'estimer la quantité de pression nécessaire pour provoquer cette transformation en examinant les débris des impacts de météores et en pressant des échantillons de minéraux dans des cellules de pression en laboratoire, mais ils ont été incapables d'observer le processus tel qu'il se déroulait.
Ce dessin illustre le processus qui transforme la silice en verre choqué après avoir été frappée par une onde de choc comme celle d'un impact de météore. A droite, la compression a transformé la silice en cristaux de stishovite. À gauche, la compression a été relâchée et les cristaux de stishovite se sont transformés en verre choqué. Le faisceau laser à rayons X LCLS a enregistré ce processus, qui se produit dans les 30 nanosecondes. Crédit :A.E. Gleason et al., Communication Nature
Chez LCLS, les chercheurs peuvent utiliser un faisceau laser intense pour créer une onde de choc qui comprime un échantillon de silice, puis utiliser le laser à rayons X pour examiner sa réponse sur une échelle de temps de la nanoseconde, ou des milliardièmes de seconde.
Une précédente étude du SLAC, publié en 2015, a démontré que la silice forme de la stishovite, une phase cristalline, dans les 10 nanosecondes après avoir été touché par l'impulsion laser initiale. Cette recherche a montré que la transformation s'est produite beaucoup plus rapidement qu'on ne le croyait auparavant. Mais l'existence de débris provenant d'impacts de météores entièrement composés de verre choqué suggère que la stishovite peut être une phase de courte durée qui peut se convertir de façon permanente en verre choqué après l'impact.
Renverser les hypothèses
Dans la dernière étude, les scientifiques ont profité de l'instrument Matter in Extreme Conditions du LCLS pour générer des ondes de choc qui ont induit diverses pressions maximales dans les échantillons de silice. Après avoir envoyé l'impulsion laser, "Nous observons simplement ce que la silice fait naturellement, " dit Gleason, qui est le boursier postdoctoral LANL Fredrick Reines.
L'analyse des données de diffraction des rayons X prises à divers intervalles après que la pression maximale a été atteinte a montré que lorsque la pression est suffisamment élevée, formes stishovites, mais il redevient alors du verre choqué. Les données de diffraction des échantillons LCLS correspondaient aux données des débris d'impact collectés sur le terrain.
Les scientifiques ont précédemment supposé que les pressions maximales d'environ 40 gigapascals - équivalent à 400, 000 fois la pression atmosphérique autour de nous – sont nécessaires pour créer du verre choqué à partir de silice. Mais les résultats de cette étude suggèrent que le seuil est environ 25 pour cent inférieur à cela, et cette stishovite revient ensuite à l'état de verre choqué en raison de l'instabilité thermique plutôt que d'une pression plus élevée.
« Un événement d'impact a un échéancier court, " dit Gleason, "faire du LCLS un instrument idéal pour comprendre la thermodynamique fondamentale des verres formés par les impacts." Gleason envisage d'utiliser le MEC du LCLS pour étudier d'autres minéraux abondants sur Terre, comme le feldspath, et mieux comprendre le « livre de règles » des processus de transformation.
Les recherches de Gleason sont plus largement applicables aux débris d'autres planètes, comme les météorites de Mars qui contiennent également du verre choqué. Les météorites martiennes contiennent souvent des composés volatils piégés, comme la vapeur d'eau et le méthane. Personne ne comprend comment ces composés s'enferment dans des météorites ou pourquoi ils ne s'échappent pas, mais la poursuite des travaux au LCLS pourrait apporter des réponses.
