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L’hydrogène métallique est l’un des matériaux les plus rares sur terre, mais il représente plus de 80% des planètes comme Jupiter. Des chercheurs de l’Université du Laboratoire de Rochester pour Laser Energetics ont créé de l’hydrogène métallique en laboratoire pour étudier le champ magnétique de Jupiter. Cette recherche a des implications dans la formation et l’évolution des planètes, y compris la manière dont les planètes à la fois à l’intérieur et à l’extérieur de notre système solaire, forment des boucliers magnétiques. (photo NASA/jpl)

L’hydrogène métallique est l’un des matériaux les plus rares sur Terre, mais plus de 80 pour cent des planètes, y compris Jupiter, Saturne, et des centaines de planètes extrasolaires sont composés de cette forme exotique de la matière.

De l’hydrogène métallique sur Jupiter

Son abondance dans notre système, malgré sa rareté sur Terre fait de l’hydrogène métallique un point intéressant pour les chercheurs de l’Université du Laboratoire de Laser Energetics de Rochester (LLE) qui étudient la formation des planètes et de l’évolution du système solaire, y compris comment les planètes à la fois à l’intérieur et à l’extérieur de notre système solaire forment des boucliers magnétiques.

« L’hydrogène métallique est la forme la plus abondante de la matière dans notre système planétaire », affirme Mohamed Zaghoo, un associé de recherche du SLE. «C’est dommage que nous ne l’ayons pas naturellement ici-bas, mais sur Jupiter, il y a des océans d’hydrogène métallique. Nous voulons savoir comment ces océans donnent naissance à un champ magnétique énorme à la planète Jupiter.»

Zaghoo et Gilbert « Rip » Collins, professeur de génie mécanique et de la physique et directeur du programme de physique de haute densité énergétique de Rochester, a étudié la conductivité métallique l’hydrogène pour mieux comprendre les mystères de l’effet dynamo – le mécanisme qui génère des champs magnétiques des planètes, y compris la Terre. Ils ont publié leurs découvertes dans l’Astrophysical Journal.

Créer de l’hydrogène métallique au LLE

Chaque élément agit différemment sous une pression et une température intenses. L’eau chaude, par exemple, génère un gaz sous forme de vapeur d’eau; sa congélation crée de la glace solide. L’hydrogène est normalement un gaz, mais à des températures et des pressions élevées – les conditions qui existent sur des planètes comme Jupiter – l’hydrogène prend les propriétés d’un métal liquide et se comporte comme un conducteur électrique.

Bien que les scientifiques aient théorisé pendant des décennies l’existence de l’hydrogène métallique, il était presque impossible de le créer sur Terre. « Les conditions pour créer de l’hydrogène métallique sont si extrêmes que, bien que l’hydrogène métallique soit abondant dans notre système solaire, il n’a été créé qu’à quelques endroits sur terre », explique Zaghoo. « Le LLE est l’un de ces endroits. »

Au LLE, les chercheurs utilisent le puissant laser OMEGA pour déclencher des impulsions sur une capsule d’hydrogène. Le laser frappe l’échantillon, développant une condition de haute pression et de haute température qui permet aux atomes d’hydrogène étroitement liés de se rompre. Lorsque cela se produit, l’hydrogène est transformé de son état gazeux en un état liquide brillant, tout comme le mercure.

Comprendre l’effet dynamo

En étudiant la conductivité de l’hydrogène métallique, Zaghoo et Collins sont capables de construire un modèle plus précis de l’effet dynamo, un processus où l’énergie cinétique des fluides en mouvement se transforme en énergie magnétique. Les géantes gazeuses comme Jupiter ont une dynamo très puissante, mais le mécanisme est également présent profondément dans la Terre, dans le noyau externe.

Cette dynamo crée notre propre champ magnétique, rendant notre planète habitable en nous protégeant des particules solaires nocives. Les chercheurs peuvent cartographier le champ magnétique de la Terre, mais comme la Terre a une croûte magnétique, les satellites ne peuvent pas voir assez loin dans notre planète pour observer la dynamo en action.

Jupiter, par contre, n’a pas de croûte. Il est donc relativement facile pour les satellites, comme la sonde spatiale Juno de la NASA, actuellement en orbite autour de Jupiter, d’observer les structures profondes de la planète. «Il est très humiliant de pouvoir caractériser l’un des états les plus intéressants de la matière, l’hydrogène métallique liquide, ici en laboratoire, utiliser cette connaissance pour interpréter les données satellitaires d’une sonde spatiale, puis appliquer tout cela aux planètes extrasolaires. »

jupiter-métallique-hydrgène Un des grands mystères de Jupiter est la façon dont la planète génère son puissant champ magnétique, le plus fort de notre système solaire. Une des clés du champ magnétique de Jupiter réside peut-être dans la compréhension des propriétés – y compris la conductivité – de l’hydrogène métallique, qui entoure le cœur de Jupiter. (Université de Rochester illustration / Rodi Keisidis, Laboratory for Laser Energetics)

Développer de meilleurs modèles de l’effet dynamo

Zaghoo et Collins ont axé leurs recherches sur la relation entre l’hydrogène métallique et le début de l’action de la dynamo, y compris la profondeur à laquelle se forme la dynamo de Jupiter. Ils ont découvert que la dynamique des gaz comme Jupiter est susceptible de provenir plus près de la surface – là où l’hydrogène métallique est le plus conducteur – que la dynamo de la Terre. Ces données, combinées aux révélations de Juno, peuvent être incorporées dans des modèles simulés qui permettront d’obtenir une image plus complète de l’effet dynamo.

«Une partie du mandat de la mission Juno consistait à essayer de comprendre le champ magnétique de Jupiter», explique Zaghoo. «Un élément-clé complémentaire aux données de Juno est la mesure dans laquelle l’hydrogène conducteur se situe à des profondeurs variables à l’intérieur de la planète. Nous devons intégrer cela dans nos modèles afin de mieux prévoir la composition et l’évolution de cette planète.»

Mieux comprendre le blindage magnétique des exoplanètes

Une meilleure compréhension des planètes dans notre propre système solaire permettra également de mieux comprendre le blindage magnétique des exoplanètes à l’extérieur de notre système solaire et pourra aider à déterminer la possibilité de vie sur d’autres planètes.

Les recherches ont longtemps pensé que les planètes dotées de champs magnétiques sont plus aptes à maintenir des atmosphères gazeuses et ont donc plus de chances d’abriter la vie, explique Zaghoo. «La théorie de la dynamo et les champs magnétiques sont des conditions-clés d’habitabilité.

Créer des modèles des exoplanètes

Chaque année, des centaines d’exoplanètes sont découvertes en dehors de notre système solaire et nous pensons que plusieurs de ces planètes sont comme Jupiter et Saturne. Nous ne pouvons pas encore aller sur ces planètes, mais nous pouvons appliquer nos connaissances sur les planètes super géantes dans notre propre système solaire pour créer des modèles de ce que pourraient être ces planètes.

Source : University of Rochester