À des milliers de kilomètres sous la surface de la Terre, sous des pressions et des températures extrêmes, se trouve le noyau de la planète. Il y a un noyau interne constitué d’une sphère solide de nickel-fer qui tourne de manière superflue à l’intérieur du noyau externe, où le fer et le nickel sont liquides.
Les conditions de ce noyau externe ont maintenant été recréées en laboratoire, par une équipe dirigée par le physicien Sebastian Merkel de l’Université de Lille en France – de telle sorte que les scientifiques ont pu observer la déformation structurelle du fer.
Cela a non seulement des implications pour la compréhension de notre planète, mais pourrait nous aider à mieux comprendre ce qui se passe lorsque des morceaux de fer entrent en collision dans l’espace.
« Nous n’avons pas créé de conditions de fond entièrement en interne », La physicienne Arianna Gleeson a déclaré : Du SLAC National Accelerator Laboratory du département américain de l’Énergie. « Mais nous avons atteint les conditions du noyau externe de la planète, ce qui est vraiment cool. »
Dans des conditions terrestres normales, la structure cristalline du fer est A treillis cubique. Les atomes sont disposés dans une grille, avec des atomes dans le coin de chaque cube et un au centre. Lorsque le fer est comprimé sous des pressions extrêmement élevées, ce réseau change de forme et se déforme en un structure hexagonale. Cela permet à plus d’atomes d’être emballés dans le même volume d’espace.
Mais il est difficile de dire ce qui se passe même à des pressions et des températures plus élevées, comme celles du noyau terrestre. Cependant, ces dernières années, la technologie laser a progressé au point que, dans les environnements de laboratoire, de petits échantillons peuvent être exposés à des conditions extrêmes, telles que les pressions et les températures trouvées dans les étoiles naines blanches.
L’équipe du SLAC a déployé deux lasers. Le premier est un laser optique, qui tire un échantillon microscopique de fer et l’expose à un choc qui crée une pression et une chaleur extrêmes.
Les pressions du noyau externe de la Terre vont de 135 à 330 gigapascals (1,3 à 3,3 millions d’atmosphères) et les températures entre 4 000 et 5 000 K (3727 à 4727 °C, ou 6 740 à 8 540 °F). .
La partie suivante, et sans doute la plus difficile, consistait à mesurer la structure atomique du fer au cours de ce processus. À cette fin, l’équipe a utilisé le laser Linac Coherent Light Source (LCLS) sans rayons X, qui a examiné l’échantillon tout en tirant la lumière laser.
« Nous avons pu faire une mesure en un milliardième de seconde », Gleeson a dit. « Congeler des atomes là où ils se trouvent dans ces nanosecondes est vraiment excitant. »
Les images résultantes, regroupées dans une séquence, ont révélé que le fer répond au stress supplémentaire causé par ces conditions par le macle. Cela se produit lorsque le réseau cristallin devient si compact que certains points du réseau sont partagés par plusieurs cristaux de manière symétrique.
(S. Merkel / Université de Lille, France)
Pour le fer dans les conditions du noyau externe de la Terre, cela signifie que l’arrangement atomique est poussé de sorte que les hexagones tournent d’environ 90 degrés. Ce mécanisme permet au métal de résister aux pointes, selon les chercheurs.
« Le jumelage permet au fer d’être incroyablement fort – plus fort que ce que nous pensions initialement – avant qu’il ne commence à s’écouler plastiquement sur des échelles de temps beaucoup plus longues », Gleeson a dit.
Maintenant que nous savons comment le fer se comporte dans ces conditions, ces informations peuvent être intégrées dans des modèles et des simulations. Cela a des implications importantes pour la façon dont nous comprenons la collision spatiale, par exemple. Le noyau de la Terre se trouve bien rangé à l’intérieur d’une planète, mais il existe des astéroïdes si métalliques que nous pensons être les noyaux nus et exposés des planètes qui perturbent leur formation.
Ces objets peuvent entrer en collision avec d’autres objets susceptibles de déformer la structure en fer qu’ils contiennent. Maintenant, nous avons une meilleure idée de la façon dont cela se produit. Et bien sûr, nous en savons maintenant plus sur notre planète.
« L’avenir est prometteur maintenant que nous avons développé un moyen de faire ces mesures », Gleeson a dit.
« Maintenant, nous pouvons donner un coup de pouce, et un coup de pouce pour certains modèles physiques vraiment basiques des mécanismes de déformation. Cela aide à construire une partie du pouvoir prédictif qui nous manque pour modéliser la façon dont les matériaux réagissent dans des conditions extrêmes. »
La recherche a été publiée dans messages d’examen physique.