Sous leurs couches atmosphériques supérieures, nos voisins du système solaire, Neptune et Uranus, connaissent littéralement une pluie de diamants dans leurs couches atmosphériques intermédiaires, soumises à des pressions et des températures exceptionnellement élevées. Les conditions y sont si extrêmes que les chercheurs n’ont pu les reproduire que dans un espace d’essai d’épaisseur mesurant moins de quelques millièmes de pouce (ou quelques centaines de micromètres), en utilisant des matériaux d’essai projetés par des lasers qui créent des ondes de choc sous haute pression plus chaudes que la surface du Soleil.
Mais cela remonte à près d’une décennie. Désormais, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), dans le nord de la Californie, ont réussi à recréer les conditions qui existent encore plus profondément dans les atmosphères de ces planètes géantes de glace, tout en enregistrant la manière dont cette pluie de diamants se comporte plus bas dans ces régions de pression encore plus élevée.
« Nous avons été capables de prendre de minuscules échantillons de diamants et de les comprimer brutalement par choc jusqu’à des températures plus chaudes que la surface du Soleil et à des pressions supérieures à celles du centre de Neptune et d’Uranus — et tout de même mesurer la structure atomique, la température, la densité et la réflectivité optique », a expliqué le premier auteur de l’étude, Marius Millot, physicien au LLNL, dans un communiqué.
Au-delà d’aider les scientifiques planetologiques à modéliser les atmosphères incroyablement hostiles d’Uranus et de Neptune, l’expérience a aussi révélé quelque chose (potentiellement) utile ici sur Terre : ces ondes de choc à haute énergie, impulsées par laser, pourraient un jour être déployées dans les systèmes de fusion par confinement inertiel, où elles pourraient tripler le gain d’énergie de ces dispositifs.
Traitement par choc
L’équipe du LLNL travaille sur la fusion par confinement inertiel depuis le démarrage de la construction de leur National Ignition Facility (NIF) en 1997. Les recherches ont été longues et pas rarement accueillies avec du dédain et du scepticisme — même lorsque les expériences de fusion ont pour la première fois produit plus d’énergie que les lasers d’allumage qui les alimentaient, en 2022.
C’est là que les résultats de Millot, publiés ce mois-ci dans la revue Nature Physics, pourraient aider. Le processus de fusion par confinement inertiel débute par une minuscule capsule de carburant en diamant, implosée par des ondes de choc d’une puissance équivalente générées par des lasers à haute énergie. Cette fonte et cet effondrement du diamant doivent rester sous forme de fluide homogène pour que la réaction de fusion puisse maintenir son élan — et ce que le groupe de Millot est parvenu à réaliser avec moins d’énergie que lors des essais passés.
« Nos travaux indiquent que nous pourrions employer des chocs initiaux légèrement plus lents et tout de même obtenir une fonte complète du diamant dans nos implosions NIF », selon Millot.
« C’est passionnant parce qu’un choc plus lent rendrait le carburant de fusion plus compressible », ajouta-t-il. « Cela, à son tour, augmenterait le rendement énergétique maximal que nous pourrions obtenir avec la même énergie laser. »
Sous pression
En fin de compte, Millot et ses collègues étudient le comportement du carbone lorsqu’il est comprimé dans des formations de diamant à des plages de pression extrêmes allant jusqu’aux térapascals, c’est-à-dire des dizaines de millions de fois la pression atmosphérique que l’on respire en lisant ceci. Autrement dit, il semble peu probable que ces conditions puissent être visitables et mesurées directement par des astronautes ou des sondes, que ce soit sur Uranus ou sur Neptune, dans leurs mondes vraiment extraterrestres.
Les chercheurs notent que leurs résultats offrent des « repères à l’échelle atomique » pour améliorer les simulations quantiques sur la façon dont la matière se comporterait probablement sous les conditions atmosphériques extrêmes des géants de glace. Des modèles informatiques passés avaient suggéré que ces diamants fondraient par une étape intermédiaire théorisée — étape que l’équipe de Millot a découvert ne pas apparaître lors de leurs expériences mesurées avec davantage de précision.
Il s’avère que les atomes de carbone restent fermement enfermés dans leur alignement diamant jusqu’au début même de la fonte.
« Nous pensons que c’est parce que l’échantillon n’a pas le temps de changer lorsqu’il ne subit qu’un seul choc », a déclaré Millot. « Il demeure ‘piégé’ dans la structure du diamant. »
« Ces résultats avaient échappé aux chercheurs jusqu’à présent car, franchement, obtenir des mesures précises par diffraction des rayons X devient un peu difficile lorsque l’on bombarde simultanément un petit objet avec autant d’énergie. » « Ces mesures sont extrêmement difficiles parce que le carbone est un atome petit et léger », a déclaré Millot. « Il diffuse très peu de rayons X, de sorte que le signal que nous devions mesurer était assez faible. »
