L’eau révèle des comportements remarquablement complexes lorsqu’elle subit des pressions et températures extrêmes. Étudier ces états inhabituels s’avère crucial pour modéliser les couches profondes des géantes glacées comme Neptune et Uranus. Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory, du SLAC et de l’université de Rochester ont découvert un état superionique de l’eau, simultanément partiellement solide et conducteur, dans des conditions similaires à celles de ces planètes lointaines.
Les résultats, publiés dans Nature Communications, suggèrent que cette phase d’eau pourrait expliquer les champs magnétiques étrangement décentrés et instables de ces planètes. Cette découverte remet en question les modèles structuraux simplifiés utilisés jusqu’à présent, révélant une matière bien plus désordonnée et dynamique que prévu. Les observations reposent sur des expériences de compression laser femtoseconde menées dans des laboratoires sophistiqués.
À très haute pression et température, l’eau adopte un état hybride appelé superionique, caractérisé par une séparation partielle des rôles atomiques. Les atomes d’oxygène forment un réseau cristallin figé tandis que les protons d’hydrogène circulent librement. Cet état confère à l’eau des propriétés inédites, la rendant partiellement solide et partiellement fluide, permettant la conduction électrique par le mouvement des protons. Les expériences utilisant enclumes de diamant et lasers ultracourts ont confirmé ce phénomène sous des pressions atteignant 200 gigapascals et des températures d’environ 2500 kelvins.
L’analyse des données révèle que l’eau superionique absorbe fortement la lumière, lui donnant une apparence noire et opaque. Cette matière pourrait être la forme d’eau la plus courante dans l’Univers, présente non seulement dans notre système solaire mais aussi sur de nombreuses exoplanètes. Leon Andriambariarijaona, auteur principal, souligne que comprendre cet état extrême est essentiel pour modéliser correctement les intérieurs planétaires et prédire leurs propriétés dynamiques et magnétiques.
Contrairement aux hypothèses établies, l’eau superionique n’adopte pas une structure atomique unique et stable. Les modèles prédisaient des configurations rigides de type FCC ou BCC, mais les travaux récents révèlent une réalité bien plus complexe. À l’aide de rayons X ultrarapides, les chercheurs ont détecté un mélange inattendu d’empilements atomiques, avec certaines zones présentant une configuration FCC tandis que d’autres révèlent des motifs hexagonaux denses.
Cette coexistence structurale brouille la frontière entre phase stable et désordre thermodynamique. L’eau superionique constitue un état dynamique plutôt qu’un cristal parfaitement ordonné, combinant partiellement les caractéristiques de plusieurs phases simultanément. Cette instabilité structurale modifie la façon dont les protons se déplacent, impactant directement la conductivité électrique et influençant les conditions de génération de champs magnétiques par effet dynamo dans les planètes géantes.
Neptune et Uranus partagent une caractéristique intrigante : leurs champs magnétiques sont chaotiques, inclinés et multipolaires, contrairement à celui de la Terre. Cette étrangeté a longtemps déconcerté les astrophysiciens qui ne comprenaient pas l’origine de ces anomalies magnétiques. La découverte de l’eau superionique apporte un éclairage nouveau sur ce phénomène, offrant une explication physique plausible.
La matière conductrice superionique permettrait, via le déplacement libre des protons, la génération de courants internes complexes produisant des champs magnétiques décentrés, instables et localisés. Ces propriétés correspondent exactement aux observations satellitaires de Neptune et Uranus. Les simulations montrent que la couche intermédiaire de ces planètes, entre le noyau rocheux et l’enveloppe externe d’hydrogène, contient majoritairement de l’eau superionique sous les conditions de pression et température appropriées.
Selon les modèles dynamiques, la configuration de l’eau superionique influence l’intensité, la forme et la direction du champ magnétique. Sa viscosité intermédiaire et sa conductivité élevée en font un matériau idéal pour initier des dynamos internes sans symétrie axiale. Ces propriétés spécifiques pourraient également expliquer la variabilité temporelle des champs magnétiques, puisque l’évolution locale de la structure modifie les lignes de champ générées.
Accéder à l’état superionique impose de reproduire des conditions extrêmes en soumettant de microscopiques échantillons d’eau à des pressions colossales surpassant 150 gigapascals, tout en les chauffant à plusieurs milliers de kelvins. Des enclumes en diamant couplées à des lasers à impulsions ultrarapides permettent cette opération délicate. Au SLAC National Accelerator Laboratory, les chercheurs utilisent une technologie appelée compression laser dynamique, envoyant une onde de choc à travers l’échantillon tout en le sondant avec des rayons X.
La durée de vie de la glace superionique dans ces conditions reste de l’ordre de quelques dizaines de femtosecondes, une durée suffisante pour enregistrer sa configuration atomique. Les données révèlent des motifs spécifiques de diffusion caractéristiques de la superionicité. Les chercheurs ont également utilisé des modélisations numériques pour comparer les signaux expérimentaux à des structures théoriques, confirmant la présence simultanée de plusieurs phases atomiques, avec les expériences menées sur plusieurs sites pour garantir la reproductibilité.
