Pour comprendre le noyau de la Terre, ils compriment du fer au laser

Grâce à une nouvelle technique utilisant un laser de grande puissance, capable, simultanément, de chauffer et de comprimer du fer, des géophysiciens ont approché les conditions régnant dans le noyau de la Terre. De quoi mieux comprendre notre planète, avec sa tectonique des plaques et son champ magnétique. Mais l’équipement servira aussi pour simuler le cœur des superterres.

Une équipe internationale de physiciens japonais, britanniques et français vient de publier dans les Pnas les résultats de travaux qui auraient sans aucun doute plu à Percy Williams Bridgman, l’un des pionniers de la physique des hautes pressions. Inventeur d’une technique permettant de soumettre des échantillons de matière à des pressions dépassant 100.000 atmosphères, ce scientifique américain a eu l’idée des cellules à enclumes. Elles ont permis de réaliser des expériences sur l’état de la matière à grande profondeur, au cœur de la Terre ou de planètes géantes comme Jupiter.

Les plus célèbres cellules à enclumes sont celles de son élève Francis Birch qui, en 1952, a démontré que le manteau de la Terre est principalement composé de silicates, et que notre planète dispose aussi d’un noyau externe liquide et d’un noyau interne solide, tous deux constitués de fer. Pour cela, il a comparé les données provenant de l’analyse des ondes sismiques se propageant à l’intérieur de la Terre à celles déduites de l’étude des ondes élastiques similaires parcourant en laboratoire des matériaux soumis aux hautes pressions et températures.

Les cellules à enclumes de Bridgman étaient initialement composées de carbure de tungstène. Elles ont pavé la voie aux cellules à enclumes de diamant, utilisées aujourd’hui de façon routinière pour des expériences à haute pression. Avec elles et des rayons X produits par des synchrotrons, les physiciens ont tenté de préciser depuis une vingtaine d’années la température et l’état du fer à l’interface entre la graine, la partie solide du noyau de la Terre, et sa partie externe, qui est liquide.

Laser de puissance LULI

Une partie de l’équipement du laser de puissance au LULI, le Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses, une unité mixte de recherche (CNRS, École Polytechnique, CEA, université Pierre et Marie Curie). Cet instrument sert à étudier la physique des plasmas chauds, depuis les atomes jusqu’aux étoiles en passant par les planètes. (Source : LULI)

C’est une question d’importance en particulier parce que la chaleur libérée par la cristallisation du noyau entretient les mouvements turbulents à l’origine du champ magnétique terrestre, via le fameux effet de dynamo autoexcitée reproduit en laboratoire par l’expérience VKS. Plus généralement, le transfert de chaleur entre le noyau et le manteau intervient dans les mouvements convectifs à l’origine de la tectonique des plaques et du volcanisme. Là aussi, pour mieux comprendre ces phénomènes, il faut mieux connaître l’état et la température du fer dans le noyau.

Malheureusement, les données obtenues ces dernières années et les travaux théoriques étaient contradictoires dans la prédiction de la structure cristalline du fer et de sa courbe de fusion aux pressions typiques du noyau. Pour progresser, un changement de stratégie était indispensable. Comme l’expliquent les chercheurs dans l’article des Pnas, elle a consisté à utiliser une technique expérimentale appelée compression dynamique.

Les échantillons de fer étaient à la fois comprimés et chauffés par une onde de choc produite à l’aide de lasers de puissance, en l’occurrence ceux des installations de Gekko XII, de l’université d’Osaka, et LULI 2000, de l’École Polytechnique. L’état du fer dans ces expériences se reflète dans la diffraction des rayons X qui traversent les échantillons.

De cette manière, les géophysiciens ont réussi à étudier du fer hautement comprimé pendant le temps très court (1 nanoseconde, soit 1 milliardième de seconde) dans sa phase cristallisée dite « hcp » (hexagonal closed packed, empilement atomique hexagonal compact) à des pressions supérieures à 1,7 million de fois la pression atmosphérique et des températures de 4.150 kelvins.

Cette région du diagramme de phase du fer était encore quasiment inexplorée. La performance est de bon augure car les études avec cette technique vont se poursuivre et elles devraient donner non seulement des renseignements supplémentaires sur notre planète mais aussi sur le cœur des superterres.

Source : Futura-Sciences

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