Dans les profondeurs des planètes géantes, une forme de glace surprenante

Sous des pressions et des températures extrêmement élevées, l’eau adopte des formes de glace aux propriétés inattendues. Une équipe du CEA - DAM et ses collaborateurs ont observé une signature du passage vers un état superionique, mi-liquide mi-solide, où l’hydrogène devient mobile tandis que l’oxygène reste organisé dans un réseau cristallin [1]. Cet état serait stable dans les intérieurs des planètes géantes de glace telles qu’Uranus et Neptune. Au CEA - DAM, ces travaux servent de banc d’essai pour pousser la finesse des mesures en conditions extrêmes.

L’eau est omniprésente sur Terre, elle l’est aussi ailleurs : dans les nuages interstellaires, sur des satellites glacés, dans les intérieurs de planètes géantes. Soumise à des pressions et à des températures variées, la molécule d’eau (H2O) révèle une richesse de formes remarquable. À ce jour, plus d’une vingtaine de glaces cristallines différentes ont été identifiées, chacune correspondant à une organisation particulière des atomes d’oxygène et d’hydrogène. Cette diversité provient de la nature de la liaison hydrogène, une interaction chimique relativement faible et directionnelle, qui assure la cohésion entre molécules d’eau.

Parmi les objets les plus fascinants de notre Système solaire figurent Uranus et Neptune, deux planètes géantes dites de glace. Elles sont essentiellement constituées d’eau, d’ammoniac et de méthane (H2O, NH3, CH4). L’unique survol de ces deux planètes par la sonde Voyager 2, en 1986 et 1989, a révélé une surprise majeure, à la différence des autres planètes : des champs magnétiques très complexes, ni axisymétriques ni dipolaires, mais décentrés et fortement inclinés par rapport aux axes de rotation. Les pressions et températures qui règnent dans leurs profondeurs atteignent des valeurs extrêmement élevées, très éloignées de celles que nous connaissons à la surface de la Terre. D’où l’interrogation suivante : les propriétés d’H2O, de NH3 et de CH4 dans ces conditions peuvent-elles expliquer ces champs magnétiques énigmatiques ?

À l’aide de simulations numériques, d’autres laboratoires ont proposé une explication : sous des pressions de l’ordre d’un million de fois la pression atmosphérique et des températures de l’ordre de 1 000 degrés, l’eau et l’ammoniac formeraient des glaces superioniques. Il s’agit de glaces chaudes qui demeurent solides, car maintenues par la pression. Dans H2O superionique, les molécules sont dissociées : les ions hydrogène sont mobiles et diffusent librement à travers le cristal formé par le réseau d’ions oxygène, comme représenté sur la figure 1a. Cette propriété confère à la glace superionique une conductivité électrique élevée. Présente dans Uranus et Neptune, elle jouerait un rôle clé dans la géométrie de leurs champs magnétiques.

Les simulations issues de la littérature prévoient que cette glace adopte une structure cristalline cubique à faces centrées, bien connue en science des matériaux et identifiable expérimentalement par diffraction des rayons X. Nous avons employé cette technique sur le synchrotron européen ESRF, à Grenoble, pour suivre le comportement microscopique de la glace et ses changements de structure. Nous avons obtenu une signature claire du caractère superionique de la glace cubique à faces centrées. Lors du chauffage, nous observons une augmentation de volume autour d’une température caractéristique de la transition entre un solide isolant et un solide super­ionique (voir figure 1b). Elle intervient lorsque les ions hydrogène deviennent mobiles et diffusent à travers les sites interstitiels du réseau cristallin d’oxygène.

Pour atteindre de telles pressions et températures, nous avons employé une cellule à enclumes de diamant. L’échantillon d’eau de quelques dizaines de micromètres est piégé entre deux enclumes face à face, permettant d’atteindre des pressions colossales par un effet de pointe. Les hautes températures sont obtenues par un chauffage par laser : un élément clé de notre étude est le développement d’un microfour en diamant dopé au bore (voir figure 2a). Il permet de chauffer l’échantillon de façon plus homogène, en maintenant des conditions de pression et de température stables et bien contrôlées. Cette géométrie innovante couplée à notre approche statique, où les conditions sont maintenues dans le temps, permet des mesures très fines.

Entre 2019 et 2021, trois équipes indépendantes, dont la nôtre, avaient rapporté les premières observations expérimentales de la glace cubique à faces centrées, à la suite de quoi une controverse était née sur la température à laquelle se forme la glace superionique. Notre étude a permis de préciser le domaine de stabilité de cette glace et de trancher cette controverse. Cette structure apparaît au-dessus de 1 500‑2 000 degrés, lorsque la glace devient superionique (voir figure 2b). Ce résultat montre que l’état superionique stabilise l’arrangement cubique à faces centrées.

À la lumière de nos expériences, cette glace serait bien présente dans les profondeurs d’Uranus et de Neptune, renforçant l’hypothèse de son rôle dans la génération de leurs champs magnétiques atypiques. D’autres formes de glace superionique, notamment hexagonales compactes, sont prévues à des pressions plus élevées. Leur observation expérimentale constitue un de nos prochains défis.