La température et la pression à l'intérieur de Jupiter vont d'environ -100°C près du bord à environ 15, 000°C et 50m fois la pression atmosphérique de la Terre au milieu. Saturne, Uranus et Neptune sont des autocuiseurs similaires. Alors que nous descendons sur Jupiter, on peut voir la matière à l'état gazeux, à l'état liquide et dans un autre, État moins connu, appelé état « fluide supercritique ».

Comprendre les fluides supercritiques n'est pas seulement important pour les planétologues, il est également utilisé dans des processus industriels tels que la production d'électricité et la transformation des aliments.

Quand on fait bouillir de l'eau sur Terre, il change de "phase" en passant d'un état liquide à un état gazeux. Cela est dû à un changement soudain et spectaculaire de la densité et d'autres propriétés appelées "transition de phase". Cependant, si vous pressez de l'eau à 1, 000 fois la pression atmosphérique puis la chauffe tout en maintenant la pression, vous n'observeriez plus l'ébullition en tant que telle. Les molécules d'eau tourbillonneraient avec plus d'énergie, et la densité diminuerait progressivement, mais il n'y aurait pas d'ébullition soudaine (transition de phase). C'est ce qui constitue l'état de fluide supercritique – ce n'est ni un liquide ni un gaz.

Le comportement exact des liquides et des fluides supercritiques a poussé les scientifiques à se creuser la tête pendant des décennies. Mais de nouvelles recherches ont fait la lumière sur ce problème, laissant espérer que nous pourrons bientôt mieux comprendre ce qui se passe au plus profond des planètes gazeuses géantes.

Les scientifiques ont longtemps supposé que les liquides et les fluides supercritiques se comportaient comme des gaz denses, avec des molécules se déplaçant constamment librement. Mais dans les années 30, le physicien russe Yakov Ilitch Frenkel a remis en question cette hypothèse, proposant que dans certaines conditions, ils se comporteraient plutôt comme des solides (où les atomes sont collés), sauf que les atomes sautent occasionnellement d'un endroit à l'autre. On peut appeler les liquides et fluides supercritiques dans ces conditions "liquides denses".

Ignoré pendant des décennies, cette approche a eu une seconde vie au cours de la dernière décennie car elle a été utilisée avec succès pour prédire la capacité calorifique des liquides. La capacité calorifique est une propriété cruciale des liquides, déterminer la façon dont la chaleur est stockée et circule autour des planètes, centrales électriques et tout le reste.

Il convient donc de tracer une ligne de démarcation (la "ligne Frenkel"), jusqu'à des pressions et températures arbitrairement élevées, entre les conditions où les liquides denses se comportent de la même manière que les gaz, et les conditions où l'approche de Frenkel - en supposant un comportement similaire aux solides - est valide. Mais comment définir la ligne ? À quel point est-ce soudain ? Ces questions doivent être traitées par des expériences.

Des expériences puissantes

Cette année, deux études révolutionnaires ont été publiées dans lesquelles cette ligne a été tracée à partir d'observations. Dans la première étude, l'une des sources de lumière synchrotron les plus puissantes au monde (la source avancée de photons près de Chicago) a été utilisée pour déterminer la pression - 6, 500 fois l'atmosphère terrestre - à laquelle l'un des fluides modèles les plus fondamentaux, néon supercritique, commence à se comporter comme un liquide dense tel que modélisé par Frenkel.

Dans la deuxième étude, les données d'une autre source puissante de rayons X (l'installation européenne de rayonnement synchrotron à Grenoble) ont été combinées avec des mesures dans mon laboratoire à Manchester pour déterminer la façon dont les atomes des molécules de méthane vibrent pour faire une observation similaire. Nous avons constaté que le méthane commence à se comporter comme un liquide dense à environ 2, 000 atmosphères de pression.

Nous avons constaté qu'un élément clé du puzzle était déjà présent dans la littérature, datant de 1986; une démonstration que les vibrations du méthane gazeux se comportent de manière totalement opposée aux vibrations que l'on a l'habitude de voir dans les liquides et solides denses. Son importance n'avait tout simplement pas été reconnue.

Notre étude avait un avantage supplémentaire par rapport à l'étude au néon :le méthane est partout dans notre système solaire. Les géantes gazeuses Uranus et Neptune en regorgent, et peut-être que comprendre le méthane répondra à beaucoup de mystères que posent ces planètes. Les scientifiques planétaires ont perdu le sommeil pendant des décennies à cause de questions telles que la façon dont la composition change lorsque vous plongez dans Uranus et Neptune et si la surface d'Uranus est vraiment l'endroit le plus froid du système solaire.

L'espoir est maintenant d'appliquer ces nouveaux résultats aux états liquide et fluide supercritique de la matière pour répondre à ces mystères et à d'autres de longue date.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.