Du fer comprimé par laser pour, comprendre le champ magnétique des planètes fer comprimé laser champ magnétique. Le champ magnétique des planètes telluriques dépend des propriétés à haute pression et température des matériaux qui composent leur noyau. Le comportement du fer, qui compose majoritairement le noyau de la Terre, est largement étudié par différentes techniques. Pour s'approcher encore plus près des conditions réelles de pressionet de températureextrêmes, une équipe de chercheurs français, japonais et britanniques a proposé une nouvelle approche expérimentalecouplant diffractionX et compression par onde de choccréée à l'aide d'un laserde puissance.
Les principaux laboratoires français impliqués sont le Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI: CEA / CNRS/ Ecole Polytechnique / UniversitéPierre et Marie Curie) et l' Institutde Minéralogie, de Physiquedes Matériauxet de Cosmochimie (IMPMC: CNRS / IRD / MNHN / Université Pierre et Marie Curie). Ces travaux sont publiés dans la revuePNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences).
Vue de l'intérieur de la chambre expérimentale sous videavant irradiationavec le laser de puissance.Crédit: Norimasa Ozaki / Osaka University
A l'intérieur de notre planète, les conditions de pression et de température sont telles que son coeur, composé majoritairement de fer, est constitué à la fois d'une enveloppe liquideet d'une grainesolide. La connaissance de cette structure s'avère importante puisque la couche liquide conductrice et convective, par effet dynamoassocié à la rotation de la Terreet à la dissipation de chaleurd'origine interne, est la source du champ magnétique terrestre. Son existence a été déduite d'études sismologiques, qui ont permis de révéler certaines caractéristiques importantes du noyau terrestre, telles que sa densitéet ses propriétés élastiques. Cependant, ces méthodes ne donnent pas accès à la température, qui est un paramètrecapital pour certains processus comme le flux de chaleurentre le noyau et le manteau profond, le taux de recristallisation de la graine, l'entretien de la géodynamo... La chaleur provenant du noyau est essentielle car elle influence la nature des mouvements convectifs dans le manteau, responsables de la tectonique des plaqueset permet d'entretenir le champ magnétiqueterrestre.
C'est pourquoi, depuis plus de vingt ans, de nombreux travaux, aussi bien expérimentaux que théoriques, ont tenté de déterminer la structure cristalline du fer ainsi que sa courbede fusionà des pressions typiques du coeur terrestre, afin notamment de déterminer précisément la température de la frontièreentre la graine solide et le noyau externe liquide. Cependant, les résultats de ces études, qui ont en général été réalisées par compression à l'aide d'enclumes à cellules de diamantsur des installations synchrotronsont en désaccord entre elles. De plus, les pressions et températures atteignables par de telles techniques de compression, dites statiques, sont limitées. Par conséquent, les donnéessur le diagramme de phasedu fer apparaissent aujourd'hui contradictoires dès que la pression dépasse le mégabar.
Afin d'améliorer notre connaissance de ce diagrammede phase touten ayant accès à des conditions de pression et de température du fer encore plus extrêmes et plus proches des conditions terrestres réelles, une solution consiste à utiliser un autre moyen expérimental, appelé compression dynamique. Dans ce cas, le matériauest à la fois comprimé et chauffé par une ondede choc, qui peut être initiée à l'aide d'un laser de puissance. C'est l'idée qui a été défendue par une équipe composée de chercheurs du LULI et de l'IMPMC, associés à des japonais et britanniques. Leurs expériences ont été réalisées à la fois sur les installations laser GEKKO XII de l'Université d'Osaka et LULI2000 de l'Ecole Polytechnique. Grâce à un dispositif expérimental inédit qui a permis, entre autre, de collecter pour la première fois du signaldiffracté par le fer hautement comprimé pendant le tempstrès court (1 nanoseconde = 1 milliardième de seconde), les chercheurs ont réussi à observer du fer solide dans sa phase dite "hcp" (hexagonal closed packed, empilement atomique hexagonal compact) à des pressions supérieures à 1,7 mégabar (1 million700 mille fois la pression atmosphérique) et des températures de 4150 degrés (K) dans une région du diagramme de phase encore quasiment inexplorée.
En plus de démontrer la faisabilité de telles expériences et de confirmer la pertinence de l'utilisation de la compression par laser pour étudier les intérieurs planétaires, cette étude a permis d'obtenir la structure du fer hautement comprimé juste avant sa fusion et de valider ou à l' inversed'infirmer les précédentes études contradictoires.
Vue de l'intérieur de la chambre expérimentale sous videavant irradiationavec le laser de puissance.Crédit: Norimasa Ozaki / Osaka University
A l'intérieur de notre planète, les conditions de pression et de température sont telles que son coeur, composé majoritairement de fer, est constitué à la fois d'une enveloppe liquideet d'une grainesolide. La connaissance de cette structure s'avère importante puisque la couche liquide conductrice et convective, par effet dynamoassocié à la rotation de la Terreet à la dissipation de chaleurd'origine interne, est la source du champ magnétique terrestre. Son existence a été déduite d'études sismologiques, qui ont permis de révéler certaines caractéristiques importantes du noyau terrestre, telles que sa densitéet ses propriétés élastiques. Cependant, ces méthodes ne donnent pas accès à la température, qui est un paramètrecapital pour certains processus comme le flux de chaleurentre le noyau et le manteau profond, le taux de recristallisation de la graine, l'entretien de la géodynamo... La chaleur provenant du noyau est essentielle car elle influence la nature des mouvements convectifs dans le manteau, responsables de la tectonique des plaqueset permet d'entretenir le champ magnétiqueterrestre.
C'est pourquoi, depuis plus de vingt ans, de nombreux travaux, aussi bien expérimentaux que théoriques, ont tenté de déterminer la structure cristalline du fer ainsi que sa courbede fusionà des pressions typiques du coeur terrestre, afin notamment de déterminer précisément la température de la frontièreentre la graine solide et le noyau externe liquide. Cependant, les résultats de ces études, qui ont en général été réalisées par compression à l'aide d'enclumes à cellules de diamantsur des installations synchrotronsont en désaccord entre elles. De plus, les pressions et températures atteignables par de telles techniques de compression, dites statiques, sont limitées. Par conséquent, les donnéessur le diagramme de phasedu fer apparaissent aujourd'hui contradictoires dès que la pression dépasse le mégabar.
Afin d'améliorer notre connaissance de ce diagrammede phase touten ayant accès à des conditions de pression et de température du fer encore plus extrêmes et plus proches des conditions terrestres réelles, une solution consiste à utiliser un autre moyen expérimental, appelé compression dynamique. Dans ce cas, le matériauest à la fois comprimé et chauffé par une ondede choc, qui peut être initiée à l'aide d'un laser de puissance. C'est l'idée qui a été défendue par une équipe composée de chercheurs du LULI et de l'IMPMC, associés à des japonais et britanniques. Leurs expériences ont été réalisées à la fois sur les installations laser GEKKO XII de l'Université d'Osaka et LULI2000 de l'Ecole Polytechnique. Grâce à un dispositif expérimental inédit qui a permis, entre autre, de collecter pour la première fois du signaldiffracté par le fer hautement comprimé pendant le tempstrès court (1 nanoseconde = 1 milliardième de seconde), les chercheurs ont réussi à observer du fer solide dans sa phase dite "hcp" (hexagonal closed packed, empilement atomique hexagonal compact) à des pressions supérieures à 1,7 mégabar (1 million700 mille fois la pression atmosphérique) et des températures de 4150 degrés (K) dans une région du diagramme de phase encore quasiment inexplorée.
En plus de démontrer la faisabilité de telles expériences et de confirmer la pertinence de l'utilisation de la compression par laser pour étudier les intérieurs planétaires, cette étude a permis d'obtenir la structure du fer hautement comprimé juste avant sa fusion et de valider ou à l' inversed'infirmer les précédentes études contradictoires.
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