Des scientifiques recréent une étrange forme de glace extraterrestre en laboratoire

L’eau peut prendre bien plus de formes qu’on ne le pense. Des scientifiques viennent d’en recréer une particulièrement bizarre en laboratoire : une « glace noire chaude » qui pourrait exister dans les couches profondes de planètes comme Uranus et Neptune.

Une « glace noire chaude »

Cette phase de l’eau est connue sous le nom de glace superionique et se forme à des températures et des pressions extrêmement élevées, ce qui entraîne la séparation des molécules d’eau en ions hydrogène et oxygène. Ces derniers s’organisent alors en un réseau cubique autour duquel les ions hydrogène se déplacent librement. L’ensemble de ces phénomènes confère à la glace superionique une conductivité relativement élevée, une faible densité et une couleur plus foncée.

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Étudier cette glace extraterrestre n’a pas été une tâche facile. La phase a été théorisée pendant des décennies, et des preuves expérimentales ont commencé à apparaître dans les années 1990, mais ce n’est qu’en 2019 que les scientifiques ont réussi à la produire en laboratoire. Cependant, dans cette expérience, elle n’a duré qu’une fraction de seconde.

Aujourd’hui, des scientifiques de l’Argonne National Laboratory ont réussi à fabriquer de la glace superionique stable, durant suffisamment longtemps pour être étudiée en détail. Une pression est d’abord appliquée en comprimant un échantillon d’eau dans une cellule à enclume de diamant, puis l’eau est chauffée à l’aide de lasers. Enfin, l’équipe utilise une source de rayons X à haute énergie appelée Advanced Photon Source (APS) pour visualiser l’arrangement des atomes dans l’échantillon, afin de déterminer le type de phase dans lequel se trouve l’eau.

Deep inside planets like Neptune, water is squeezed at such high temperatures and pressures that it forms a hot, black ice. Scientists at #UChicago & @argonne managed to re-create this ice inside a giant accelerator: https://t.co/Ogn1KSERjP

— The University of Chicago (@UChicago) November 1, 2021

Présentés dans la revue Nature Physics, ces travaux ont révélé que la glace superionique commençait à apparaître à des températures comprises entre 627 °C et 1 627 °C, et à des pressions de 20 GigaPascals. « C’était une surprise, tout le monde pensait que cette phase n’apparaîtrait qu’à des pressions beaucoup plus élevées », explique Vitali Prakapenka, co-auteur de l’étude. « Mais nous avons pu cartographier très précisément les propriétés de cette nouvelle glace, qui constitue une nouvelle phase de la matière, grâce à plusieurs outils puissants. »

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D’importantes implications

Produire de la glace superionique en laboratoire est plus qu’une curiosité : l’étudier pourrait nous aider à comprendre comment les planètes se forment et même nous indiquer où chercher de la vie extraterrestre. On pense que ce type de glace se trouve sur des planètes géantes comme Uranus et Neptune et, si c’est le cas, des manteaux de cette étrange glace pourraient générer les champs magnétiques de ces mondes.

L’équipe précise qu’il reste encore beaucoup de travail à faire pour explorer ce qui caractérise la glace superionique. Des propriétés telles que sa conductivité, sa viscosité et sa stabilité restent obscures, et les choses pourraient changer radicalement lorsqu’elle est mélangée à des sels ou à d’autres minéraux.