Au plus profond des cœurs de Neptune et d’Uranus, il pourrait pleuvoir des diamants. Récemment, des scientifiques ont produit de nouvelles preuves expérimentales montrant comment cela pourrait être possible.

Image d’entête : photo de Neptune obtenue en 2018 par l’instrument MUSE sur le Very Large Telescope de l’ESO. (ESO / P. Weilbacher, AIP / NASA / ESA / M.H. Wong & J. Tollefson, UC Berkeley)

L’hypothèse est que la chaleur intense et la pression, à des milliers de kilomètres sous la surface de ces planètes géantes de glace, devraient séparer les composés d’hydrocarbures, le carbone se comprimant en diamant et s’enfonçant encore plus profondément vers les noyaux planétaires.

La nouvelle expérience a utilisé le laser à rayons X du Linac Coherent Light Source (LCLS) du Laboratoire national de l’accélérateur SLAC pour les mesures les plus précises à ce jour sur la façon dont ce processus de « pluie de diamants » devrait se produire, et elle a permis de découvrir que le carbone se transforme directement en diamant cristallin.

Cette recherche fournit des données sur un phénomène très difficile à modéliser par ordinateur : la « miscibilité » de deux éléments, ou la façon dont ils se combinent lorsqu’ils sont mélangés », a expliqué le physicien des plasmas Mike Dunne, directeur du LCLS, qui n’est pas cité comme auteur de l’étude.

Ici, ils voient comment deux éléments se séparent, comme la mayonnaise qui se sépare à nouveau en huile et en vinaigre.

Neptune et Uranus sont les planètes les plus méconnues du système solaire. Elles sont d’une distance prohibitive, une seule sonde spatiale, Voyager 2, s’est approchée d’elles, et seulement pour un survol, pas pour une mission dédiée.

Mais les géantes de glace sont extrêmement courantes dans la Voie lactée (au sens large). Pour la NASA, les exoplanètes de type Neptune sont dix fois plus nombreuses que celles de type Jupiter.

La compréhension des géantes de glace de notre système solaire est donc essentielle pour comprendre les planètes de la galaxie. Et pour mieux les comprendre, nous avons besoin de savoir ce qui se passe sous leurs extérieurs d’un bleu serein.

Nous savons que les atmosphères de Neptune et d’Uranus sont principalement composées d’hydrogène et d’hélium, avec une petite quantité de méthane. Sous ces couches atmosphériques, un fluide très chaud et très dense de matériaux « glacés » tels que l’eau, le méthane et l’ammoniac s’enroule autour du noyau de la planète.

Et des calculs et des expériences datant de plusieurs décennies ont montré qu’avec une pression et une température suffisantes, le méthane peut être décomposé en diamants, ce qui suggère que des diamants peuvent se former dans ce matériau chaud et dense.

Une expérience précédente au SLAC, dirigée par le physicien Dominik Kraus au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en Allemagne, a utilisé la diffraction par rayons X pour le démontrer. Récemment, Dominik Kraus et son équipe ont poussé leurs recherches un peu plus loin.

Pour Kraus, à propos de leurs derniers travaux :

Nous avons maintenant une nouvelle approche très prometteuse basée sur la diffusion des rayons X. Nos expériences fournissent des paramètres de modèle importants alors qu’auparavant, nous n’avions qu’une incertitude massive. Cela deviendra d’autant plus pertinent alors que nous découvrirons de nouvelles exoplanètes.

Il est difficile de reproduire l’intérieur des planètes géantes ici, sur Terre. Vous avez besoin d’un équipement assez puissant, le LCLS. Et vous avez besoin d’un matériau qui reproduit ce qui se trouve à l’intérieur de cette planète géante. Pour cela, l’équipe a utilisé le polystyrène d’hydrocarbure (C8H8) à la place du méthane (CH4).

La première étape consiste à chauffer et à pressuriser le matériau pour reproduire les conditions à l’intérieur de Neptune à une profondeur d’environ 10 000 kilomètres : des impulsions laser optique génèrent des ondes de choc dans le polystyrène, qui chauffe le matériau jusqu’à environ 5 000 Kelvin (4 727 degrés Celsius). Cela crée également une intense pression.

Dans une nouvelle expérience, quatre faisceaux laser optiques (verts) ont émis une onde de choc dans un échantillon de plastique composé de carbone et d’hydrogène. Lorsque l’onde de choc a traversé le matériau, les chercheurs l’ont observée en frappant les régions touchées avec des photons de rayons X provenant du LCLS (faisceau blanc mince) qui ont diffusé à la fois vers l’arrière et vers l’avant des électrons dans l’échantillon (faisceaux blancs plus épais). (Greg Stewart/ SLAC National Accelerator Laboratory)

Toujours selon Kraus :

Nous produisons environ 1,5 million de barres, ce qui équivaut à la pression exercée par le poids de quelque 250 éléphants d’Afrique sur la surface d’une vignette.

Lors de l’expérience précédente, la diffraction aux rayons X a été utilisée pour ensuite sonder le matériau. Cela fonctionne bien pour les matériaux ayant des structures cristallines, mais moins pour les molécules non cristallines, de sorte que l’image fut incomplète. Dans la nouvelle expérience, l’équipe a utilisé une méthode différente, en mesurant la façon dont les rayons X diffusaient les électrons dans le polystyrène.

Cela leur a permis d’observer non seulement la conversion du carbone en diamant, mais aussi ce qui arrive au reste de l’échantillon, qui se sépare en hydrogène. Et il n’y a pratiquement plus de carbone.

Dans le cas des géantes glacées, nous savons maintenant que le carbone forme presque exclusivement des diamants lorsqu’il se sépare et ne prend pas une forme transitoire fluide.

C’est important, parce qu’il y a quelque chose de vraiment bizarre pour Neptune. Son intérieur est bien plus chaud qu’il ne devrait l’être. En fait, il dégage 2,6 fois plus d’énergie qu’il n’en absorbe du Soleil.

Si les diamants, plus denses que la matière qui les entoure, pleuvent à l’intérieur de la planète, ils pourraient libérer de l’énergie gravitationnelle, qui est convertie en chaleur générée par la friction entre les diamants et la matière qui les entoure.

Cette expérience suggère que nous n’avons pas à trouver une autre explication… pas encore, en tout cas. Et elle montre également une méthode que nous pourrions utiliser pour « sonder » l’intérieur d’autres planètes du système solaire.

Selon Kraus :

Cette technique nous permettra de mesurer des processus intéressants qui sont autrement difficiles à recréer.

Par exemple, nous serons en mesure de voir comment l’hydrogène et l’hélium, des éléments que l’on trouve à l’intérieur de géantes gazeuses comme Jupiter et Saturne, se mélangent et se séparent dans ces conditions extrêmes. C’est une nouvelle façon d’étudier l’histoire de l’évolution des planètes et des systèmes planétaires, ainsi que de soutenir les expériences vers de futures formes potentielles d’énergie de fusion.

L’étude publiée dans Nature Communications : Demonstration of X-ray Thomson scattering as diagnostics for miscibility in warm dense matter et présentée sur le site du SLAC : A new way to study how elements mix deep inside giant planets.