Un état de matière « superionique » atypique pourrait exister au cœur d’Uranus et d’Neptune

L’énigme structurelle des géantes de glaces

Les planètes géantes de notre Système solaire possèdent des structures internes complexes qui demeurent difficiles à cerner avec précision. Jusqu’à présent, les scientifiques s’appuyaient sur des observations menées depuis la Terre, ainsi que sur les précieuses données récoltées de près par la sonde spatiale Voyager 2, pour élaborer leurs modèles théoriques. Ces mesures indiquent que sous les épaisses couches atmosphériques riches en hydrogène et en hélium, Uranus et Neptune abriteraient des strates de glaces chaudes reposant directement sur un noyau rocheux.

Ces glaces se composent principalement de glace d’eau, de méthane et d’ammoniac. Au cœur de ces planètes, les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que le carbone se cristallise pour former des pluies de diamants tombant vers le centre. Désormais, de nouvelles simulations informatiques suggèrent qu’un état de la matière encore plus étrange pourrait émerger sous les températures et les pressions extrêmes qui règnent dans ces profondeurs.

Des conditions extrêmes recréées par la physique quantique

Pour percer ce mystère, les auteurs d’une nouvelle recherche se sont tournés vers des simulations de physique quantique. Leur objectif était d’observer le comportement de l’hydrure de carbone, une molécule simple composée de carbone et d’hydrogène, lorsqu’elle est soumise à des environnements particulièrement hostiles. Les paramètres de ces tests virtuels reproduisent fidèlement les conditions régnant au cœur des géantes de glaces.

Les chercheurs ont appliqué des pressions allant de près de 5 millions à près de 30 millions de fois la pression atmosphérique terrestre. En parallèle, ils ont soumis la molécule à des températures équivalentes à celles que l’on trouve habituellement à la surface du Soleil. Les résultats de cette modélisation numérique ont mis en évidence l’émergence d’une nouvelle phase de la matière aux propriétés singulières.

L’émergence d’une substance hybride

Les simulations ont révélé l’apparition d’un matériau dit superionique, qui présente des caractéristiques totalement non conventionnelles. Une substance superionique se définit comme un hybride entre l’état solide et l’état liquide. Dans cette configuration, un type d’atome forme un réseau cristallin figé, tandis que l’autre type d’atome reste libre de se déplacer à travers cette structure.

Dans le cas précis de l’hydrure de carbone étudié, le carbone s’organise en structures hexagonales rigides. L’hydrogène, quant à lui, se meut à l’intérieur, mais uniquement le long d’une trajectoire en spirale, créant ainsi un état superionique quasi-unidimensionnel. L’auteur de l’étude, Ronald Cohen, chercheur à la Carnegie Science, a expliqué cette dynamique dans un communiqué officiel : « Cette phase carbone-hydrogène nouvellement prédite est particulièrement frappante car le mouvement atomique n’est pas totalement tridimensionnel. Au lieu de cela, l’hydrogène se déplace préférentiellement le long de voies hélicoïdales bien définies, intégrées dans une structure ordonnée de carbone. »

Une explication au chaos magnétique d’Uranus

L’existence théorique d’un tel état de la matière pourrait avoir des répercussions majeures sur notre compréhension de ces planètes. Cette phase superionique est susceptible d’influencer directement la conductivité électrique interne, de même que les champs magnétiques planétaires. Le champ magnétique d’Uranus, par exemple, constitue un désordre particulièrement complexe pour les astrophysiciens.

La planète Uranus tourne approximativement sur le côté, pointant alternativement l’un puis l’autre de ses pôles en direction du Soleil. Son champ magnétique présente un désalignement de 59 degrés par rapport à son axe de rotation, et sa trajectoire ne passe même pas par le centre de la planète. L’équipe scientifique se demande si la phase carbone-hydrogène superionique pourrait enfin fournir une explication rationnelle à cette anomalie magnétique cosmique.

Des implications au-delà de notre Système solaire

Comprendre l’origine du magnétisme des géantes de glaces nécessitera sans doute d’explorer le comportement de ces substances exotiques et non conventionnelles enfouies dans leurs profondeurs. Ces découvertes ne se limitent pas à notre propre voisinage cosmique, mais portent de fortes implications pour les nombreuses exoplanètes observées dans la galaxie. Qu’elles ressemblent ou non en apparence à nos propres géantes de glaces, ces planètes lointaines pourraient abriter des états de la matière inattendus en leur sein.

La conclusion de ces travaux, publiés dans la revue scientifique Nature Communications, est résumée par Cong Liu, co-auteur de l’étude et membre de la Carnegie Science : « Le carbone et l’hydrogène comptent parmi les éléments les plus abondants dans les matériaux planétaires, pourtant leur comportement combiné dans les conditions des planètes géantes reste loin d’être pleinement compris. »

Selon la source : iflscience.com