L'étude décrit une nouvelle génération d'expériences laser à haute puissance qui fournissent la première équation absolue d'état du fer dans des conditions de pression et de densité extrêmes.
Un groupe de chercheurs du laboratoire national de Livermore. Lawrence (LLNL), l'Université de Princeton, l'Université Johns Hopkins et l'Université de Rochester (États-Unis) ont pour la première fois déterminé expérimentalement la dépendance masse-rayon d'une hypothétique planète métallique avec les propriétés d'un noyau super-terrestre. Les travaux des scientifiques sont présentés dans la revue Nature Astronomy.
«La découverte d'un grand nombre de planètes en dehors du système solaire a été l'une des découvertes scientifiques les plus passionnantes de cette génération. Ces études soulèvent des questions fondamentales. Quels sont les différents types de planètes extrasolaires, et comment se forment-elles et évoluent-elles? Lequel de ces objets peut maintenir des conditions de vie acceptables en surface? Pour résoudre ces problèmes, vous devez comprendre la composition et la structure interne de ces objets », explique Ray Smith, physicien au LLNL et auteur principal de l'étude.
Les résultats peuvent être utilisés pour estimer la composition de grandes exoplanètes rocheuses, formant la base de futurs modèles de profondeurs planétaires, qui, à leur tour, peuvent être utilisés pour interpréter plus précisément les données d'observation de la mission spatiale Kepler et aider à déterminer les planètes habitables.
On sait que sur plus de 4000 exoplanètes et candidates à ce rôle, les plus courantes sont celles qui dépassent le rayon de la Terre de 1 à 4 fois. De tels mondes extrasolaires ne sont pas représentés dans notre système. Cela indique que les planètes se forment dans une plus large gamme de conditions physiques qu'on ne le pensait auparavant. Déterminer la structure interne et la composition des super-Terres est un défi, mais essentiel pour comprendre la diversité et l'évolution des systèmes planétaires de notre galaxie.
Puisque la pression au cœur d'une exoplanète 5 fois la masse de la Terre peut atteindre deux millions d'atmosphères, une exigence fondamentale pour limiter la composition d'une exoplanète et de sa structure interne est de déterminer avec précision les propriétés du matériau sous extrême pression. Le fer est le composant dominant des noyaux planétaires des planètes semblables à la Terre. Une compréhension détaillée des propriétés du fer dans des conditions super-terrestres est devenue un défi majeur dans les recherches de l'équipe de Ray Smith.
Les scientifiques ont décrit une nouvelle génération d'expériences laser puissantes qui fournissent la première équation d'état absolue du fer sous une pression et une densité extrêmes dans le noyau de la super-Terre. La méthode est adaptée à la compression de matière avec un chauffage minimal jusqu'à une pression de 1 téraapascal (1 TPa = 10 millions d'atmosphères).
Recréation du cœur de la super-terre dans la caméra NIF vue par l'artiste. Crédit: Mark Meamber (NIF).
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Les expériences ont été réalisées au LLNL National Ignition Complex (NIF). Le NIF, le laser le plus grand et le plus puissant au monde, peut fournir jusqu'à 2 mégajoules d'énergie laser en 30 nanosecondes et fournir la puissance laser requise et le contrôle de la compression des matériaux jusqu'à des pressions TPa. Les expériences de l'équipe ont atteint une pression de pointe de 1,4 TPa, quatre fois la pression des résultats statiques précédents, qui décrivaient les conditions de base d'une super-terre 3 à 4 fois la masse de la Terre.
«Les modèles de dispositifs planétaires internes basés sur la description de matériaux composites à des pressions extrêmes extrapolent généralement les données de basse pression et créent une large gamme d'états de matériaux possibles. Nos données expérimentales fournissent une base solide pour déterminer les propriétés d'une super-terre et d'une hypothétique planète métallique. En outre, l'étude démontre la capacité de déterminer les équations d'état et d'autres propriétés thermodynamiques clés des matériaux du noyau planétaire à des pressions bien supérieures aux méthodes statiques conventionnelles. Ces informations sont essentielles pour comprendre la structure des grandes exoplanètes rocheuses et leur évolution », explique Ray Smith.
Les futures expériences NIF élargiront l'étude des matériaux sous plusieurs pressions TPa en combinant des techniques de diffraction des rayons X nanosecondes pour déterminer l'évolution de la structure cristalline en fonction de la pression.
Arina Vasilieva
