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Comment l’hydrogène devient métal au cœur des géantes gazeuses ?

| 20 septembre 2018 |

© Jason Laurea LLNL
Une collaboration internationale à laquelle participe le CEA dévoile de quelle manière l’hydrogène se transforme en métal à l’intérieur des planètes géantes gazeuses. Ces résultats publiés dans Science le 16 août 2018 permettent aux scientifiques de mieux modéliser la structure interne de ces planètes.

À l’intérieur de nombreuses planètes extrasolaires, mais aussi de Jupiter et Saturne, l’hydrogène métallique, dense et tourbillonnant, domine. Élaborer des modèles précis de ces planètes géantes nécessite de décrire finement la transition entre l’hydrogène moléculaire et l’hydrogène métallique dans la phase fluide très dense. Le caractère continu ou discontinu de cette transition ainsi que sa localisation thermodynamique sont très discutés car il existe une grande dispersion des différents résultats expérimentaux et des calculs.

Une détermination expérimentale de référence est un défi scientifique de longue date qui vient d’être relevé par une collaboration internationale dans la grande installation laser NIF. Cela a été rendu possible par une compression dynamique parfaitement contrôlée d’une cible cryogénique de deutérium et des mesures optiques de vitesse de compression et de réflectivité de très grande qualité.  

 

Une transition unique pour un fluide dense, la transition de phase plasma de l’hydrogène.…

Des décennies de recherche ont permis de découvrir que la combinaison de pressions et de températures élevées transformait progressivement l’hydrogène fluide dense en un fluide conducteur électrique. En dessous de 3000 kelvin, c’est essentiellement l’augmentation de densité qui permet ce passage fluide isolant-conducteur : c’est pourquoi on parle alors d’hydrogène métallique fluide. Les simulations numériques laissent penser qu’en-dessous de 2 000 kelvin, cette transition isolant-métal pourrait être discontinue (du premier ordre). Le niveau de pression nécessaire n’avait cependant pas encore été déterminé avec certitude du fait de la divergence entre les différents modèles mais également entre expériences.

Le défi a alors consisté à concevoir une expérience qui pourrait comprimer dynamiquement un échantillon d’hydrogène fluide à plusieurs millions d’atmosphères de manière suffisamment douce (sans choc fort) pour qu'il reste froid ou en-dessous de 2 000 kelvin, et acquérir des données permettant de discriminer entre les différents modèles théoriques.

La série d’expériences réalisées a permis d’obtenir, grâce notamment à la grande qualité des signaux enregistrés, une signature claire de la transition métallique et d’identifier dans le domaine pression-température, les conditions précises auxquelles a lieu la transition. 

 

Une série de cinq expériences a été réalisée au sein de l’installation laser NIF de Livermore. Les chercheurs ont d’abord condensé une fine couche de deutérium cryogénique liquide (un isotope lourd de l’hydrogène) en le refroidissant à 21 kelvin (-252,5 °C). Ils ont ensuite créé une séquence de propagation d’ondes de choc en utilisant 168 faisceaux laser du NIF, comprimant le deutérium liquide à 600 GPa (soit 6 millions d’atmosphères, presque deux fois la pression au centre de la Terre) tout en conservant la température entre 1 000 et 2 000 kelvin.

Au départ, l'échantillon était complètement transparent, puis au fur et à mesure que la pression augmentait, il est devenu opaque avant de se transformer en un métal brillant dont la grande réflectivité optique est la preuve de sa grande conductivité électrique. La réflectivité de l’échantillon et le déplacement Doppler de la surface ont été enregistrés par un instrument de diagnostic optique ultrarapide, le VISAR, qui a ainsi donné accès aux propriétés optiques de l’hydrogène. L’examen attentif des signaux a procuré de nouvelles informations sur l’indice de réfraction et le coefficient d’absorption dans l’échantillon. 

 

Et la suite ?

Ces recherches ont été menées dans le cadre du Discovery Science Program du NIF. À l’avenir, les chercheurs espèrent explorer un plus grand domaine du diagramme de phase des deux isotopes de l’hydrogène (hydrogène et deutérium) à très haute densité. Rester à basse température permettra de découvrir des comportements singuliers de l’hydrogène.

En effet, l’hydrogène étant composé seulement d’un électron et d’un proton, la théorie a encore du mal à appréhender comment ses propriétés sont modifiées lorsque des pressions élevées sont appliquées et que les atomes se rapprochent les uns des autres. C’est un système très quantique. Couvrir un domaine plus large en pression-température permettra de mieux positionner cette transition isolant-conducteur de l’hydrogène pour les intérieurs planétaires.

 

À des pressions et des températures élevées, l’hydrogène est le principal constituant gazeux des planètes et des étoiles géantes et il est donc particulièrement important d’étudier ses propriétés métalliques à l’origine du champ magnétique de ces planètes gazeuses.

Les résultats obtenus sur le NIF, et bientôt sur l’installation française équivalente, le LMJ, offriront un nombre de résultats suffisants pour interpréter les données extraordinaires réunies par les missions spatiales Juno et Cassini.

En outre, comprendre le comportement de l’hydrogène sous pression permet aussi d’avancer dans le domaine de la fusion par confinement inertiel et contribue directement à l’amélioration de modèles physiques développés dans le cadre du programme Simulation du CEA/DAM.



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