Au coeur des planètes, on trouve des états extrêmes :des températures de milliers de degrés, pressions un million de fois supérieures à la pression atmosphérique. Ils ne peuvent donc être explorés directement que dans une mesure limitée, c'est pourquoi la communauté des experts essaie d'utiliser des expériences sophistiquées pour recréer des conditions extrêmes équivalentes. Une équipe de recherche internationale comprenant le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a adapté une méthode de mesure établie à ces conditions extrêmes et l'a testée avec succès :en utilisant les éclairs lumineux du laser à rayons X le plus puissant au monde, l'équipe a réussi à examiner de plus près à l'élément important, carbone, ainsi que ses propriétés chimiques. Comme indiqué dans le journal Physique des plasmas , la méthode a maintenant le potentiel de fournir de nouvelles informations sur l'intérieur des planètes à l'intérieur et à l'extérieur de notre système solaire.

La chaleur est inimaginable, la pression énorme :Les conditions à l'intérieur de Jupiter ou de Saturne font en sorte que la matière qui s'y trouve présente un état inhabituel :elle est aussi dense qu'un métal mais, à la fois, chargé électriquement comme un plasma. "Nous appelons cet état la matière dense chaude, " explique Dominik Kraus, physicien au HZDR et professeur à l'Université de Rostock. "C'est un état de transition entre l'état solide et le plasma que l'on trouve à l'intérieur des planètes, bien qu'il puisse se produire brièvement sur Terre, trop, par exemple lors d'impacts de météores. » Examiner cet état de la matière en détail en laboratoire est un processus compliqué impliquant, par exemple, tirer de puissants flashs laser sur un échantillon, et, pour un clin d'oeil, le chauffer et le condenser.

Mais à quoi ressemblent vraiment les propriétés chimiques de cette matière chaude et dense ? Jusqu'à maintenant, les méthodes existantes n'ont apporté que des réponses insatisfaisantes à cette question. Donc, une équipe de six pays a proposé quelque chose de nouveau, basé sur le laser à rayons X le plus puissant au monde, le XFEL européen à Hambourg. Dans un accélérateur d'un kilomètre de long, extrêmement court, des impulsions de rayons X intensives sont générées. « Nous avons dirigé les impulsions vers des feuilles de carbone minces, ", explique l'auteur principal Katja Voigt de l'Institut de physique des radiations du HZDR. "Ils étaient faits de graphite ou de diamants." Dans les feuilles, une faible proportion des flashs de rayons X est diffusée sur les électrons et leur environnement immédiat. L'essentiel est que les flashs diffusés puissent révéler le type de liaison chimique que les atomes de carbone ont formé avec leur environnement.

Après les doutes vint la surprise Connue sous le nom de diffusion Raman aux rayons X, les chercheurs dans des domaines comme la science des matériaux utilisent cette méthode depuis un certain temps. Mais pour la première fois, l'équipe autour de Voigt et Kraus a réussi à l'équiper pour des expériences de sonde de matière dense chaude. "Certains experts doutaient que cela puisse fonctionner, " explique Kraus. Les détecteurs, en particulier, qui doivent capter les signaux radiographiques émis par les feuilles de carbone, doivent être à la fois très efficaces et haute résolution, un défi technique majeur. Mais l'analyse des données de mesure a clairement montré dans quels états de liaison le carbone était entré. "Nous avons été un peu surpris que cela fonctionne si bien, " dit Voigt, visiblement content. S'ils appliquaient la méthode à la matière dense chaude, cependant, il manquait encore quelque chose :des flashs laser puissants qui entraîneraient les feuilles de carbone à des pressions et des températures élevées allant jusqu'à plusieurs centaines, 000 degrés. Dans ce but, la ligne de faisceau internationale Helmholtz pour les champs extrêmes (HIBEF) qui a été récemment inaugurée sous les auspices de HZDR au XFEL européen entre en jeu. C'est l'une des installations de recherche les plus modernes au monde avec des lasers à hautes performances qui pourraient réaliser les premières expériences Raman à rayons X en quelques mois. "Je suis vraiment optimiste que cela fonctionnera, " dit Dominik Kraus.

Crash d'une comète dans le laboratoireLa méthode pourrait bien faciliter de nombreuses connaissances scientifiques différentes :d'une part, on ne sait pas combien d'éléments légers comme le carbone ou le silicium sont présents dans le noyau terrestre. Des expériences en laboratoire pourraient produire des indicateurs importants. "La nouvelle méthode ne se limite pas au carbone, mais pourrait être appliqué à d'autres éléments légers, " explique Katja Voigt. Une autre question à explorer concerne l'intérieur des géantes dites gazeuses comme Jupiter et les géantes de glace comme Neptune. Ici, des réactions chimiques complexes se produiront, comme elles le seront dans des exoplanètes lointaines de stature similaire. Il devrait être possible de reconstituer ces processus en laboratoire à l'aide de la méthode Raman aux rayons X. "Peut-être serait-il possible de résoudre l'énigme sur les réactions responsables du fait que des planètes comme Neptune et Saturne émettent plus d'énergie qu'elles ne le devraient réellement, " espère Kraus.

En outre, cette nouvelle méthode devrait permettre aux scientifiques de simuler des crashs de comètes à une échelle miniature :si les comètes transportaient réellement de la matière organique vers la Terre une fois, le crash aurait-il pu déclencher des réactions chimiques favorisant le développement de la vie ? Et la méthode a même un potentiel d'applications techniques :par principe, il semble possible que, dans des conditions extrêmes, de nouveaux matériaux pourraient se former et présenter des propriétés fascinantes. Un exemple serait un supraconducteur qui fonctionne à température ambiante et n'a pas besoin de refroidissement compliqué comme les matériaux existants. Un tel supraconducteur à température ambiante serait d'un grand intérêt technologique car il pourrait conduire l'électricité sans aucune perte sans avoir à le refroidir avec de l'azote liquide ou de l'hélium liquide.