octobre 21, 2021

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Une nouvelle méthode de mesure promet des informations étonnantes sur les intérieurs planétaires – ScienceDaily

Il y a des extrêmes au cœur des planètes : des températures de plusieurs milliers de degrés, des pressions un million de fois supérieures à la pression atmosphérique. Ils ne peuvent donc être explorés directement que dans une mesure limitée – c’est pourquoi la communauté d’experts essaie d’utiliser des expériences complexes pour recréer des conditions difficiles équivalentes. Une équipe de recherche internationale comprenant Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) a adapté et testé avec succès une méthode de mesure statique pour ces conditions extrêmes : à l’aide des flashs lumineux du laser à rayons X le plus puissant au monde, l’équipe a pu examiner de plus près à l’élément important, le carbone, ainsi que ses propriétés chimiques. Comme mentionné dans le magazine Physique des plasmas La méthode a maintenant le potentiel de fournir de nouvelles informations sur les planètes à l’intérieur et à l’extérieur de notre système solaire.

La chaleur est inimaginable, la pression est énorme : les conditions à l’intérieur de Jupiter ou de Saturne font que la matière y présente un état extraordinaire : elle est aussi dense que le métal mais en même temps chargée électriquement comme le plasma. “Nous appelons cet état de la matière dense chaude”, explique Dominic Krause, physicien au HZDR et professeur à l’Université de Rostock. “C’est un état de transition entre le solide et le plasma que l’on trouve à l’intérieur des planètes, bien que cela puisse également se produire brièvement sur Terre, par exemple lors d’impacts de météorites.” L’examen en détail de cet état de la matière en laboratoire est un processus complexe qui consiste, par exemple, à projeter de puissants flashs laser sur un échantillon et, en un clin d’œil, à le chauffer et à le condenser.

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Mais quelles sont les propriétés chimiques de cette substance vraiment dense et chaude ? Jusqu’à présent, les méthodes actuelles n’ont apporté que des réponses insatisfaisantes à cette question. Ainsi, une équipe de six pays a mis au point quelque chose de nouveau, basé sur le laser à rayons X le plus puissant au monde, le XFEL européen à Hambourg. Dans un accélérateur d’un kilomètre de long, des impulsions de rayons X extrêmement courtes et intenses sont générées. “Nous avons dirigé les impulsions dans de minces flocons de carbone”, explique l’auteur principal Katja Voigt de l’Institut de radiophysique HZDR. “Il était fait de graphite ou de diamant.” Dans les puces, un faible pourcentage des flashs de rayons X est diffusé sur les électrons et leur environnement immédiat. L’important est que les flashs diffusés puissent révéler quel type de liaison chimique les atomes de carbone ont formé avec leur environnement.

Après les doutes vint la surprise

Connue sous le nom de diffusion Raman aux rayons X, les chercheurs dans des domaines tels que la science des matériaux utilisent cette méthode depuis longtemps. Mais pour la première fois, l’équipe autour de Voigt et Kraus a pu le mettre en place pour des expériences visant à explorer la matière chaude et dense. “Certains experts étaient sceptiques quant à son efficacité”, explique Krause. Les détecteurs, en particulier, qui doivent capter les signaux de rayons X émis par les puces de carbone, doivent être très efficaces et à haute résolution, un défi technique majeur. Mais l’analyse des données de mesure a clairement montré les états de liaison que le carbone est entré. “Nous avons été un peu surpris que cela fonctionne si bien”, dit Voigt. S’ils appliquaient la méthode à un matériau chaud et dense, il manquait encore quelque chose : de puissants flashs laser qui pousseraient les copeaux de carbone à des pressions et des températures élevées de plusieurs 100 000 degrés. À cette fin, la ligne Helmholtz International Beamline Extreme Fields (HIBEF) récemment ouverte est exploitée sous les auspices de HZDR au XFEL européen. C’est l’une des installations de recherche les plus modernes au monde avec un laser haute performance qui peut effectuer les premières expériences Raman à rayons X en quelques mois. “Je suis vraiment optimiste que cela fonctionnera”, a déclaré Dominic Krause.

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crash de comète en laboratoire

Cette méthode peut faciliter de nombreuses idées scientifiques différentes : d’une part, il n’est pas clair combien d’éléments légers tels que le carbone ou le silicium se trouvent dans le noyau de la Terre. Les expériences de laboratoire peuvent produire des indications importantes. « La nouvelle méthode ne se limite pas au carbone, mais peut être appliquée à d’autres éléments photoniques », explique Katja Voigt. Une autre question à explorer concerne l’intérieur des géantes dites gazeuses telles que Jupiter et les géantes de glace telles que Neptune. Ici, des réactions chimiques complexes auront lieu – comme elles le font sur des exoplanètes lointaines de stature similaire. Il devrait être possible de réactiver ces processus en laboratoire à l’aide de la méthode Raman aux rayons X. “Peut-être sera-t-il possible de résoudre le mystère des réactions responsables de planètes comme Neptune et Saturne qui émettent plus d’énergie qu’elles ne le devraient réellement”, espère Krause.

De plus, cette nouvelle méthode devrait permettre aux scientifiques de simuler des collisions de comètes à une échelle miniature : si les comètes avaient déjà transporté de la matière organique vers la Terre une à une, l’effondrement aurait-il pu déclencher les réactions chimiques qui ont favorisé l’évolution de la vie ? Et même cette méthode a un potentiel d’applications techniques : en principe, il apparaît qu’il est possible, dans des conditions extrêmes, de former de nouveaux matériaux pouvant présenter des propriétés remarquables. Un exemple est un supraconducteur qui fonctionne à température ambiante et ne nécessite pas de refroidissement complexe comme les matériaux existants. Un supraconducteur à température ambiante de ce type présenterait un grand intérêt technique car il pourrait conduire l’électricité complètement sans perte sans avoir à être refroidi à l’azote liquide ou à l’hélium liquide.

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Source de l’histoire :

Matériaux Introduction de Centre Helmholtz Dresde Rosendorf. Remarque : le contenu peut être modifié en fonction du style et de la longueur.