Comment l'hydrogène devient métal au cœur des géantes gazeuses?
Publié par Redbran le 11/09/2018 à 12:00
Source: CEA

© Jason Laurea, LLNL.
Une collaboration internationale à laquelle participe le CEA dévoile de quelle manière l'hydrogène se transforme en métal à l'intérieur des planètes géantes gazeuses. Ces résultats publiés dans Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de connaissances, d'études...) le 16 août 2018 permettent aux scientifiques de mieux modéliser la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet...) de ces planètes.

À l'intérieur de nombreuses planètes extrasolaires, mais aussi de Jupiter et Saturne, l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) métallique, dense et tourbillonnant, domine. Élaborer des modèles précis de ces planètes géantes nécessite de décrire finement la transition entre l'hydrogène moléculaire et l'hydrogène métallique dans la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...) très dense. Le caractère continu ou discontinu de cette transition ainsi que sa localisation thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en...) sont très discutés car il existe une grande dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se...) des différents résultats expérimentaux et des calculs. Une détermination expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. ...) de référence est un défi scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) de longue date qui vient d'être relevé par une collaboration internationale(1) dans la grande installation laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) NIF(2). Cela a été rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D...) possible par une compression dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) parfaitement contrôlée d'une cible cryogénique de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) et des mesures optiques de vitesse (On distingue :) de compression et de réflectivité de très grande qualité.

Une transition unique pour un fluide dense, la transition de phase plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui...) de l'hydrogène....

Des décennies de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) ont permis de découvrir que la combinaison (Une combinaison peut être :) de pressions et de températures élevées transformait progressivement l'hydrogène fluide dense en un fluide conducteur électrique. En dessous de 3000 kelvin(3), c'est essentiellement l'augmentation de densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) qui permet ce passage fluide isolant-conducteur: c'est pourquoi on parle alors d'hydrogène métallique fluide. Les simulations numériques laissent penser qu'en-dessous de 2 000 kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par convention, les noms d'unité sont des noms communs et s'écrivent en minuscule (« kelvin » et non...), cette transition isolant-métal pourrait être discontinue (du premier ordre). Le niveau de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) nécessaire n'avait cependant pas encore été déterminé avec certitude du fait de la divergence entre les différents modèles mais également entre expériences.

Le défi a alors consisté à concevoir une expérience qui pourrait comprimer dynamiquement un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) d'hydrogène fluide à plusieurs millions d'atmosphères de manière suffisamment douce (sans choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de civilisation ou de particules de hautes énergies.) fort) pour qu'il reste froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) ou en-dessous de 2 000 kelvin, et acquérir des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) permettant de discriminer entre les différents modèles théoriques. La série d'expériences réalisées a permis d'obtenir, grâce notamment à la grande qualité des signaux enregistrés, une signature claire de la transition métallique et d'identifier dans le domaine pression-température, les conditions précises auxquelles a lieu la transition.

"Une compression aussi douce et contrôlée de l'hydrogène avec un tel laser de puissance est un véritable tour force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...). La qualité des mesures de vitesse de compression et de réflectivité est vraiment exceptionnelle. Cela a été absolument nécessaire pour obtenir des données de très grande qualité qui permettent maintenant de progresser dans la compréhension de l'hydrogène très dense. ", résument Stéphanie Brygoo et Paul Loubeyre, chercheurs au CEA(4) et cosignataires de cet article dans Science.


La courbe noire, superposée à l'image VISAR expérimentale, représente un calcul CEA de l'augmentation progressive de densité du deuterium (D2) soumis à la séquence de propagation d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de choc, générées par les faisceaux laser dans la série d'expériences sur le NIF. L'intensité du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux...) est directement liée au propriétés optiques de l'hydrogène. Ce dernier passe par trois états différents: transparent (le signal non atténué est intense), absorbant (le signal est faible), réfléchissant (le signal augmente à nouveau progressivement). Ce changement d'intensité est la signature du passage d'un état isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants...) à un état métallique. © CEA

Une série de cinq expériences a été réalisée au sein de l'installation laser NIF de Livermore. Les chercheurs ont d'abord condensé une fine couche de deutérium cryogénique liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) (un isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné...) lourd de l'hydrogène) en le refroidissant à 21 kelvin (-252,5°C). Ils ont ensuite créé une séquence de propagation d'ondes de choc en utilisant 168 faisceaux laser du NIF, comprimant le deutérium liquide à 600 GPa (soit 6 millions d'atmosphères, presque deux fois la pression au centre de la Terre) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en conservant la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) entre 1 000 et 2 000 kelvin. Au départ, l'échantillon était complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la...) transparent, puis au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est située dans la Municipalité de Skive.) et à mesure que la pression augmentait, il est devenu opaque avant de se transformer en un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le...) brillant dont la grande réflectivité optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) est la preuve de sa grande conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.). La réflectivité de l'échantillon et le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de...) Doppler de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) ont été enregistrés par un instrument de diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation, distinction“ et γν?ση, gnósi,...) optique ultrarapide, le VISAR(5), qui a ainsi donné accès aux propriétés optiques de l'hydrogène. L'examen attentif des signaux a procuré de nouvelles informations sur l'indice de réfraction (L'indice de réfraction provient du phénomène de réfraction qui désigne le changement de direction de la lumière au passage d'un milieu à un autre. La notion d'indice a d'abord été introduite empiriquement comme coefficient...) et le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel,...) d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors...) dans l'échantillon.


Le VISAR est un instrument de diagnostic optique ultra-rapide qui utilise un laser pulsé - ainsi que l'interférométrie - pour mesurer la vitesse des ondes de choc et caractériser les propriétés optiques de l'hydrogène fluide pendant la transition isolant-métal. © Jason Laurea, LLNL.

Et la suite ?

Ces recherches ont été menées dans le cadre du Discovery Science Program du NIF. À l'avenir, les chercheurs espèrent explorer un plus grand domaine du diagramme de phase (Un diagramme de phase est une expression utilisée en thermodynamique (voir Phase) ; elle indique une représentation graphique, généralement à deux ou trois dimensions,...) des deux isotopes de l'hydrogène (hydrogène et deutérium) à très haute densité. Rester à basse température permettra de découvrir des comportements singuliers de l'hydrogène. En effet, l'hydrogène étant composé seulement d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) et d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.), la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative,...) a encore du mal à appréhender comment ses propriétés sont modifiées lorsque des pressions élevées sont appliquées et que les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué d'un...) se rapprochent les uns des autres. C'est un système très quantique. Couvrir un domaine plus large en pression-température permettra de mieux positionner cette transition isolant-conducteur de l'hydrogène pour les intérieurs planétaires. À des pressions et des températures élevées, l'hydrogène est le principal constituant gazeux des planètes et des étoiles géantes et il est donc particulièrement important d'étudier ses propriétés métalliques à l'origine du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité...) de ces planètes gazeuses. Les résultats obtenus sur le NIF, et bientôt sur l'installation française équivalente, le LMJ, offriront un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de résultats suffisants pour interpréter les données extraordinaires réunies par les missions spatiales Juno et Cassini (La mission Cassini-Huygens est une mission spatiale automatique réalisée en collaboration par le Jet Propulsion Laboratory (JPL), l'Agence spatiale européenne (ESA) et...). En outre, comprendre le comportement de l'hydrogène sous pression permet aussi d'avancer dans le domaine de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes...) par confinement inertiel et contribue directement à l'amélioration de modèles physiques développés dans le cadre du programme Simulation du CEA/DAM.

Note:
(1) Sous la direction du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), la collaboration associe le CEA, l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) d'Édimbourg, l'Université de Rochester, le Carnegie Institution of Washington, l'Université de Berkeley (L'université de Californie, Berkeley (encore appelée UCB, Cal, Berkeley, ou UC Berkeley) est le premier campus de l'Université de Californie. Il est situé à Berkeley, en Californie,...) et l'Université George Washington.
(2) Le National Ignition Facility (NIF) est un laser à haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) implanté à Livermore.
(3) Le kelvin (K) - du nom du physicien (Un physicien est un scientifique qui étudie le champ de la physique, c'est-à-dire la science analysant les constituants fondamentaux de l'univers et les forces qui les relient. Le mot physicien dérive du grec, qui...) britannique - est l'unité de température thermodynamique du système international. Elle découle du troisième principe de la thermodynamique.
(4) Au sein de la Direction des applications militaires (DAM) du CEA, Centre DAM Île-de-France
(5) VISAR: Velocity Interferometer System for Any Reflector (voir illustration ci-dessous)
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