© Jason Laurea, LLNL.
À l’intérieur de nombreuses planètes extrasolaires, mais aussi de Jupiter et Saturne, l’hydrogène 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 fluide très dense. Le caractère continu ou discontinu de cette transition ainsi que sa localisation thermodynamique sont très discutés car il existe une grande dispersion des différents résultats expérimentaux et des calculs. Une détermination expérimentale de référence est un défi scientifique de longue date qui vient d’être relevé par une collaboration internationale(1) dans la grande installation laser NIF(2). Cela a été rendu possible par une compression dynamique parfaitement contrôlée d’une cible cryogénique de deutérium et des mesures optiques de vitesse de compression et de réflectivité de très grande qualité.
Une transition unique pour un fluide dense, la transition de phase plasma de l’hydrogène.…
Des décennies de recherche ont permis de découvrir que la combinaison 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 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, cette transition isolant-métal pourrait être discontinue (du premier ordre). Le niveau de pression 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 d’hydrogène fluide à plusieurs millions d’atmosphères de manière suffisamment douce (sans choc fort) pour qu'il reste froid ou en-dessous de 2 000 kelvin, et acquérir des données 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. 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 de choc, générées par les faisceaux laser dans la série d’expériences sur le NIF. L’intensité du signal 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 à un état métallique. © CEA
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.
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 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 et d’un proton, la théorie a encore du mal à appréhender comment ses propriétés sont modifiées lorsque des pressions élevées sont appliquées et que les atomes 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 de ces planètes gazeuses. Les résultats obtenus sur le NIF, et bientôt sur l’installation française équivalente, le LMJ, offriront un nombre de résultats suffisants pour interpréter les données extraordinaires réunies par les missions spatiales Juno et Cassini. En outre, comprendre le comportement de l’hydrogène sous pression permet aussi d’avancer dans le domaine de la fusion 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 d’Édimbourg, l’Université de Rochester, le Carnegie Institution of Washington, l’Université de Berkeley et l’Université George Washington.
(2) Le National Ignition Facility (NIF) est un laser à haute énergie implanté à Livermore.
(3) Le kelvin (K) - du nom du physicien 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)
Source: CEA
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