Il y a des géants parmi nous, des géants de gaz et de glace pour être précis. Ils orbitent autour de la même étoile, mais leurs conditions environnementales et leur composition chimique sont très différentes de celles de la Terre. Ces énormes planètes - Jupiter, Saturne, Neptune et Uranus peuvent être considérés comme des laboratoires naturels pour la physique de la matière à des températures et des pressions extrêmes.

Maintenant, une équipe internationale qui comprend des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie a développé une nouvelle configuration expérimentale pour mesurer comment les éléments chimiques se comportent et se mélangent profondément à l'intérieur des géants glacés, qui pourraient offrir un aperçu de la formation et de l'évolution des systèmes planétaires. Ce qu'ils apprennent pourrait également guider les scientifiques qui espèrent exploiter la fusion nucléaire, qui produit des conditions similaires à celles de notre soleil, comme nouvelle source d'énergie. Leurs résultats ont été publiés la semaine dernière dans Communication Nature .

Mélanger

Dans les expériences précédentes, les chercheurs ont utilisé le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC pour obtenir le premier aperçu détaillé de la création de « matière chaude et dense, " un super chaud, mélange surcompressé que l'on croit être au cœur de ces énormes planètes. Ils ont également pu recueillir des preuves de « pluie de diamants, " une précipitation exotique qui devrait se former à partir de mélanges d'éléments au plus profond de géants glacés.

Jusqu'à maintenant, les chercheurs ont utilisé une technique appelée diffraction des rayons X pour étudier cela, prenant une série d'instantanés de la façon dont les échantillons réagissent aux ondes de choc produites par laser qui imitent les conditions extrêmes rencontrées sur d'autres planètes. Cette technique fonctionne bien pour les échantillons cristallins mais est moins efficace pour les échantillons non cristallins dont les molécules et les atomes sont disposés de manière plus aléatoire, ce qui limite la profondeur de compréhension que les scientifiques peuvent atteindre. Dans ce nouveau papier, l'équipe a utilisé une technique appelée diffusion de rayons X Thomson qui reproduit avec précision les résultats de diffraction précédents tout en leur permettant également d'étudier comment les éléments se mélangent dans des échantillons non cristallins dans des conditions extrêmes.

"Cette recherche fournit des données sur un phénomène très difficile à modéliser informatiquement :la « miscibilité » de deux éléments, ou comment ils se combinent lorsqu'ils sont mélangés, " déclare Mike Dunne, directeur du LCLS. " Ici, ils voient comment deux éléments se séparent, comme faire séparer la mayonnaise en huile et vinaigre. Ce qu'ils apprennent pourrait offrir un aperçu d'un des principaux facteurs d'échec de la fusion, dans lequel l'enveloppe inerte d'une capsule se mélange au combustible de fusion et le contamine pour qu'il ne brûle pas.

dix, 000 kilomètres de profondeur

Dans cette expérience la plus récente, des faisceaux laser optiques ont lancé une onde de choc dans un échantillon de plastique composé de carbone et d'hydrogène. Au fur et à mesure que l'onde de choc traversait le matériau, les chercheurs l'ont observé en frappant les régions choquées avec des photons de rayons X de LCLS qui ont diffusé à la fois vers l'arrière et vers l'avant les électrons de l'échantillon.

"Un ensemble de photons dispersés a révélé les températures et les pressions extrêmes atteintes dans l'échantillon, qui imitent ceux trouvés 10, 000 kilomètres sous la surface d'Uranus et de Neptune, " explique Eric Galtier, scientifique et co-auteur du SLAC. " L'autre a révélé comment les atomes d'hydrogène et de carbone se sont séparés en réponse à ces conditions. "

Aller plus loin

Les chercheurs espèrent que la technique leur permettra de mesurer le mélange microscopique de matériaux utilisés dans les expériences de fusion en général, lasers à haute énergie tels que le National Ignition Facility du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) du DOE.

"Nous voulons comprendre si ce processus pourrait se produire dans des implosions de fusion par confinement inertiel avec des capsules d'ablation en plastique, car cela générerait des fluctuations qui pourraient augmenter et dégrader les performances d'implosion, " a déclaré Tilo Doeppner, Physicien du LLNL et co-auteur de l'article.

À suivre, l'équipe prévoit de recréer des conditions encore plus extrêmes trouvées plus profondément à l'intérieur de géants glacés, et d'étudier des échantillons contenant d'autres éléments pour comprendre ce qui se passe sur d'autres planètes.

"Cette technique va nous permettre de mesurer des processus intéressants qui seraient autrement difficiles à recréer, " dit Dominik Kraus, un scientifique de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf qui a dirigé l'étude. "Par exemple, nous pourrons voir comment l'hydrogène et l'hélium, éléments trouvés à l'intérieur des géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne, mélanger et séparer dans ces conditions extrêmes. C'est une nouvelle façon d'étudier l'histoire évolutive des planètes et des systèmes planétaires, ainsi que de soutenir des expériences vers de futures formes potentielles d'énergie à partir de la fusion."