Du fer comprimé par laser pour comprendre le champ magnétique des planètes

Jeudi, 30 juin 2016

Le champ magnétique des planètes telluriques dépend des propriétés à haute pression et température des matériaux qui composent leur noyau. Le comportement du fer, qui compose majoritairement le noyau de la Terre, est largement étudié par différentes techniques. Pour s’approcher encore plus près des conditions réelles de pression et de température extrêmes, une équipe1 de chercheurs français, japonais et britanniques a proposé une nouvelle approche expérimentale couplant diffraction X et compression par onde de choc créée à l’aide d’un laser de puissance. Les principaux laboratoires français impliqués sont le Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI : CEA / CNRS / Ecole Polytechnique / Université Pierre et Marie Curie) et l’Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC : CNRS / IRD / MNHN / Université Pierre et Marie Curie). Ces travaux sont publiés dans la revue PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).


Vue de l'intérieur de la chambre expérimentale sous vide avant irradiation avec le laser de puissance. Crédit : Norimasa Ozaki / Osaka University

A l’intérieur de notre planète, les conditions de pression et de température sont telles que son cœur, composé majoritairement de fer, est constitué à la fois d’une enveloppe liquide et d’une graine solide. La connaissance de cette structure s’avère importante puisque la couche liquide conductrice et convective, par effet dynamo associé à la rotation de la Terre et à la dissipation de chaleur d’origine interne, est la source du champ magnétique terrestre. Son existence a été déduite d’études sismologiques, qui ont permis de révéler certaines caractéristiques importantes du noyau terrestre, telles que sa densité et ses propriétés élastiques. Cependant, ces méthodes ne donnent pas accès à la température, qui est un paramètre capital pour certains processus comme le flux de chaleur entre le noyau et le manteau profond, le taux de recristallisation de la graine, l’entretien de la géodynamo… La chaleur provenant du noyau est essentielle car elle influence la nature des mouvements convectifs dans le manteau, responsables de la tectonique des plaques et permet d’entretenir le champ magnétique terrestre.

C’est pourquoi, depuis plus de vingt ans, de nombreux travaux, aussi bien expérimentaux que théoriques, ont tenté de déterminer la structure cristalline du fer ainsi que sa courbe de fusion à des pressions typiques du cœur terrestre, afin notamment de déterminer précisément la température de  la frontière entre la graine solide et le noyau externe liquide. Cependant, les résultats de ces études, qui ont en général été réalisées par compression à l’aide d’enclumes à cellules de diamant sur des installations synchrotron sont en désaccord entre elles. De plus, les pressions et températures atteignables par de telles techniques de compression, dites statiques, sont limitées. Par conséquent, les données sur le diagramme de phase du fer apparaissent aujourd’hui contradictoires dès que la pression dépasse le mégabar.

Afin d’améliorer notre connaissance de ce diagramme de phase tout en ayant accès à des conditions de pression et de température du fer encore plus extrêmes et plus proches des conditions terrestres réelles, une solution consiste à utiliser un autre moyen expérimental, appelé compression dynamique. Dans ce cas, le matériau est à la fois comprimé et chauffé par une onde de choc, qui peut être initiée à l’aide d’un laser de puissance. C’est l’idée qui a été défendue par une équipe composée de chercheurs du LULI et de l’IMPMC, associés à des japonais et britanniques. Leurs expériences ont été réalisées à la fois sur les installations laser GEKKO XII de l’Université d’Osaka et LULI2000 de l’Ecole Polytechnique. Grâce à un dispositif expérimental inédit qui a permis, entre autre, de collecter pour la première fois du signal diffracté par le fer hautement comprimé pendant le temps très court (1 nanoseconde = 1 milliardième de seconde), les chercheurs ont réussi à observer du fer solide dans sa phase dite « hcp » (hexagonal closed packed, empilement atomique hexagonal compact) à des pressions supérieures à 1,7 mégabar (1 million 700 mille fois la pression atmosphérique) et des températures de 4150 degrés (K) dans une région du diagramme de phase encore quasiment inexplorée.

En plus de démontrer la faisabilité de telles expériences et de confirmer la pertinence de l’utilisation de la compression par laser pour étudier les intérieurs planétaires, cette étude a permis d’obtenir la structure du fer hautement comprimé juste avant sa fusion et de valider ou à l’inverse d’infirmer les précédentes études contradictoires.

Note(s): 
  1. Les partenaires japonais sont issus de l’Institute of Laser Engineeing (Université d’Osaka) et les britanniques, de l’Université Queen’s de Belfast et de l’Université d’Oxford. En France, outre le LULI et l’IMPMC, le Laboratoire Univers et Théories (LUTH : CNRS / Observatoire de Paris / Université Paris Diderot) est également impliqué.
Source(s): 

Dynamic X-ray diffraction observation of shocked solid iron up to 170 GPa
A. Denoeud, N. Osaki, A. Benuzzi-Mounaix, H. Uranishi, Y. Kondo, R. Kodama, E. Brambrink, A. Ravasio, M. Bocoum, J.-M. Boudenne, M. Harmand, F. Guyot, S. Mazevet, D. Riley, M. Makita, T. Sano, Y. Sakawa, Y. Inubushi, G. Gregori, M. Koenig and G. Morard
Proc. Natl. Acad. Sci. USA : http://www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1512127113

Contact(s):
  • Adrien Denoeud, LULI (CEA / CNRS / Ecole Polytechnique / UPMC / Univ Paris Sud)
    adrien [dot] denoeud [at] polytechnique [dot] edu
  • Guillaume Morard, IMPMC/Ecce Terra
    Guillaume [dot] Morard [at] impmc [dot] jussieu [dot] fr, 01 44 27 52 22

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