Une équipe de chercheurs, composée de Cong Liu et R. E. Cohen du Carnegie Institution of Washington ainsi que de Jian Sun de l’Université de Nanjing, a modélisé l’existence d’un nouvel état de la matière baptisé « état superionique quasi-unidimensionnel ». Cette structure complexe, située au cœur des géantes glacées comme Uranus et Neptune, pourrait modifier notre compréhension des champs magnétiques planétaires.
Une structure en double hélice au cœur des planètes
La science planétaire classique classe les composants internes des géantes comme Uranus et Neptune sous le terme générique de « glaces », bien qu’il s’agisse de mélanges d’eau, de méthane et d’ammoniac soumis à des pressions et des températures extrêmes. Selon les recherches publiées par sorae, ces conditions provoquent une dissociation des molécules. Dans le cas de l’eau, par exemple, les ions oxygène se figent tandis que les ions hydrogène circulent librement, créant ce que les scientifiques appellent un « état superionique ».
Le travail récent de l’équipe scientifique, relayé également par NTT Docomo, révèle une variante inédite pour le mélange carbone-hydrogène. Sous des pressions allant de 5 à 30 millions d’atmosphères et des températures oscillant entre 4 000 et 6 000 °C, le carbone et l’hydrogène s’organiseraient en une « double hélice » : des colonnes hexagonales de carbone renfermant en leur centre une hélice d’ions hydrogène.
Le rôle du carbone dans les géantes glacées
La présence de carbone au sein des géantes glacées est un sujet central pour la planétologie. Si l’hydrogène et l’hélium dominent la composition des géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne, Uranus et Neptune possèdent une proportion bien plus importante d’éléments plus lourds. Le méthane, sous l’effet de pressions colossales, peut se dissocier, libérant du carbone qui, selon certaines théories, pourrait même former des précipitations de diamants dans les couches profondes de ces planètes. L’étude de Liu, Cohen et Sun apporte une pièce supplémentaire au puzzle en décrivant comment ce carbone, loin d’être inerte, structure physiquement le comportement des ions hydrogène à travers cet état superionique quasi-unidimensionnel.
Pourquoi cet état « quasi-unidimensionnel » change la donne
La dénomination « quasi-unidimensionnelle » provient d’une contrainte physique majeure imposée par cette structure en spirale. Contrairement à un état superionique classique, où les ions hydrogène se déplacent librement dans les trois dimensions, cette configuration limite drastiquement leur mobilité.
Dans cette structure, les ions hydrogène conservent une liberté de mouvement le long de l’axe vertical de l’hélice, mais sont quasi immobilisés dans la direction circulaire. Cette anisotropie — le fait que les propriétés physiques varient selon la direction — est cruciale. Comme l’indiquent les chercheurs, elle signifie que la conductivité thermique et électrique ne se diffuse pas uniformément, ce qui influence directement les courants de convection et la génération des champs magnétiques à l’intérieur des planètes. Dans une planète, le champ magnétique est généralement généré par l’effet dynamo, qui nécessite des mouvements de fluides conducteurs à l’intérieur du noyau. Si ces fluides sont contraints par une structure quasi-unidimensionnelle, la géométrie du champ magnétique résultant en est nécessairement altérée.
Les limites de l’observation expérimentale
L’existence de cet état de la matière reste pour l’instant une prédiction théorique. Reproduire en laboratoire des conditions de 30 millions d’atmosphères reste un défi technologique majeur, voire impossible avec les outils actuels. Les cellules à enclume de diamant, qui permettent d’atteindre des pressions extrêmes, sont limitées par la résistance mécanique des matériaux utilisés pour les enclumes.
Pour pallier cette difficulté, l’équipe a combiné deux approches :
- Des calculs fondés sur les principes fondamentaux de la physique, notamment la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) qui permet de modéliser les interactions électroniques à l’échelle quantique.
- Des modèles prédictifs basés sur l’apprentissage automatique (machine learning) pour simuler le comportement des atomes dans ces conditions extrêmes, permettant d’étendre la précision des calculs quantiques à des systèmes plus vastes et sur des durées plus longues.
Ces méthodes permettent d’anticiper la structure interne des planètes lointaines là où l’observation directe par sonde spatiale ne peut atteindre. Si cette hypothèse est confirmée, elle fournirait une explication plus précise aux anomalies observées dans les champs magnétiques d’Uranus et de Neptune, souvent complexes et décentrés par rapport à l’axe de rotation des astres, un phénomène qui contraste fortement avec le champ dipolaire simple de la Terre.
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