Etudier l'ammoniac en milieu extrême pour mieux comprendre les planètes géantes glacées

Publié par Adrien le 18/02/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
L'ammoniac (NH3) est considéré comme l'un des composants principaux des manteaux d'Uranus et Neptune. Aux conditions thermodynamiques de leur intérieurs, les propriétés de l'ammoniac sont très mal connues, en raison des difficultés considérables à le manipuler et comprimer. Des chercheurs et des chercheuses ont développé un dispositif adapté aux expériences de compression par choc (Dès que deux entitées interagissent de manière violente, on dit qu'il y a choc, que ce soit de...) laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) pour étudier le comportement de l'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des...) à des pressions et des températures extrêmes. Cette étude apporte de nouvelles données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) pour mieux comprendre certaines énigmes de géantes glacées, tels que le caractère inédit de leur champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...).


Photographie de la cible d'ammoniac sur le banc de préalignement avant d'être placée dans la chambre expérimentale pour le tir laser.

Deux tiers de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) de Uranus et Neptune sont supposés être constitués de ce qu'on appelle, en dépit de son état solide ou liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...), la “glace planétaire”: un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), ammoniac et méthane (Le méthane est un hydrocarbure de formule brute CH4. C'est le plus simple composé de la...). À des pressions de millions d'atmosphères (Mbar) et des températures de plusieurs milliers de K typiques de leurs intérieurs, les propriétés de l'ammoniac (NH3) sont très mal connues, différemment de l'eau, beaucoup plus étudiée. Des calculs ab initio, très complexes et couteux, prédisent pour NH3 des propriétés très particulières: des phases “superioniques”, avec un comportement entre le solide et le liquide, ou la formation de fluides de différentes espèces chimiques.

Confirmer expérimentalement ces prédictions est crucial car cela contribuerait à élucider certaines des énigmes relevées par les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) astronomiques de ces deux planètes: les scientifiques cherchent par exemple à comprendre l'origine de leur champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique, fortement non-bipolaire et diffèrent de celui des autres planètes du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...). En effet, la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par...) étrange de ce champ magnétique est liée à des propriétés microscopiques de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) comprimée formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) l'intérieur de ces planètes, en particulier sa conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se...).

Cependant, jusqu'à présent, les pressions et les températures atteintes en laboratoire pour l'ammoniac n'étaient pas suffisamment élevées pour étudier de façon pertinente les intérieurs d'Uranus et Neptune. Les expériences de compression par choc laser constituent un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) très efficace pour générer des conditions thermodynamiques extrêmes, mais adapter ce schéma expérimental à l'ammoniac nécessite le développement d'une cible adaptée.

L'ammoniac est, en effet, un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) particulièrement difficile à manipuler et à comprimer. À température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) ambiante, il se présente sous forme gazeuse, ce qui a un double désavantage pour la compression par choc laser: d'un côté, cela limite la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) atteignable et, de l'autre, cela amène à des températures trop élevées.

Pour surmonter ces difficultés, la démarche consiste à considérer un état initial plus dense, liquide, voire solide. Pour faire cela, il est nécessaire que la cible de NH3 soit préparée, et éventuellement maintenue, dans un état pré-comprimé et/ou à basse température avant l'expérience. Coupler ces exigences avec les contraintes imposées par les expériences laser est un véritable défi en raison des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...), de la compatibilité au vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) ainsi que des difficultés à inclure des diagnostics adéquats. Des difficultés supplémentaires surviennent avec l'ammoniac en raison de ses propriétés chimiques, comme la corrosion et la miscibilité, qui compliquent énormément la conception et réalisation des cibles.

Des équipes du Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), École Polytechnique, CEA, Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du...) Université)* ont réussi ce défi, et elles ont développé un nouveau schéma de cible d'ammoniac liquide adaptée à la fois aux propriétés physiques de l'ammoniac et aux expériences de compression par choc laser. En focalisant le laser LULI2000 sur ces cibles, les chercheurs et les chercheuses ont réussi à générer une onde de choc (Une onde de choc est un type d'onde, mécanique ou d'une autre nature, associé à...) comprimant l'ammoniac à des pressions et températures de plusieurs Mbar et allant jusqu'à 40000 K. En couplant ces données pionnières avec des nouvelles simulations numériques, ils ont mis en évidence que la conductivité électrique de l'ammoniac est un ordre de grandeur plus élevée de celle de l'eau dans des conditions similaires.

Ce résultat est novateur car les données expérimentales existantes semblaient suggérer le contraire. Ces travaux soulignent ainsi la nécessité de considérer la contribution de l'ammoniac à la génération du champ magnétique d'Uranus et de Neptune et fournissent aux modèles les données nécessaires pour améliorer notre compréhension de ce processus et progresser dans la connaissance de ces deux géantes glacées. Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

Note:
*en collaboration avec des chercheurs echercheuses du Laboratoire de géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et...) de Lyon (LGL-TPE, CNRS/Univ. Claude Bernard/ENS Lyon), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/MNHN/Sorbonne Univ.), et des Universités de Rostock et de Oslo.

Référence:
Metallization of Shock-Compressed Liquid Ammonia.
A. Ravasio, M. Bethkenhagen, J.-A. Hernandez, A. Benuzzi-Mounaix, F. Datchi, M. French, M. Guarguaglini, F. Lefevre, S. Ninet, R. Redmer, and T. Vinci. Phys. Rev. Lett. Publié le 13 janvier 2021.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.025003.
Article disponible sur la base d'archives ouverte arXiv.
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