La Z machine aide à sonder la dynamique intérieure des super-Terres

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| Sandia
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Dans les laboratoires de physique des hautes pressions de Sandia au Nouveau-Mexique, se cache l’un des générateurs de rayons X pulsés les plus puissants du monde : la Z machine. Et récemment, une équipe de chercheurs a utilisé les capacités de l’instrument afin de simuler les conditions de température et pression régnant au sein des exoplanètes qualifiées de super-Terres. Cette expérience avait pour but de déterminer les conditions planétaires les plus propices au maintien d’une activité géophysique — notamment concernant l’atmosphère — compatible avec la vie. Les données obtenues par les physiciens ont permis de dresser une liste de sept super-Terres candidates méritant une étude plus approfondie.

Les énormes forces générées par la Z machine de Sandia National Laboratories sont utilisées pour reproduire les pressions gravitationnelles des « super-Terres » afin de déterminer celles qui pourraient maintenir des atmosphères propices à la la vie. Les astronomes pensent que les super-Terres — des planètes rocheuses jusqu’à dix fois plus grandes que la Terre — existent par millions dans notre galaxie. « La question qui se pose à nous est de savoir si l’une de ces super planètes est réellement semblable à la Terre, avec des processus géologiques actifs, une atmosphère et un champ magnétique », déclare Joshua Townsend, physicien à Sandia.

Les travaux sont décrits dans la revue Nature Communications. Les chercheurs du programme de science fondamentale de Sandia, travaillant avec des collègues de l’Earth and Planets Laboratory de la Carnegie Institution for Science, utilisent les forces de la puissante et unique Z machine de Sandia pour appliquer presque instantanément l’équivalent d’énormes pressions gravitationnelles à de la bridgmanite, également connue sous le nom de silicate de magnésium, le matériau le plus abondant dans les planètes solides.

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Identifier des super-Terres propices à l’émergence et l’évolution de la vie

Les expériences ont donné naissance à un tableau basé sur des données montrant à quel moment l’intérieur d’une planète serait solide, liquide ou gazeux sous diverses pressions, températures et densités, et dans quelle fourchette de temps. Seul un noyau liquide — avec des métaux se déplaçant les uns sur les autres dans des conditions ressemblant à celles d’une dynamo terrestre — produit les champs magnétiques qui peuvent détourner les vents solaires et les rayons cosmiques de l’atmosphère d’une planète, permettant à la vie d’émerger.

Cette information critique sur les intensités de champ magnétique produites par les états de noyau de super-Terres de différentes tailles était auparavant indisponible : les noyaux sont bien cachés au sein des planètes, et donc non visibles par observation directe à distance. Pour les chercheurs qui préféraient les expériences terrestres plutôt que l’imagerie à longue distance, des pressions suffisantes n’étaient pas disponibles jusqu’à ce que les capacités de la Z machine soient mobilisées.

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Vue d’artiste des champs magnétiques maintenus par la gravité de certaines super-Terres examinées par la Z machine de Sandia National Laboratories. Les champs magnétiques empêchent les rayons cosmiques de détruire les atmosphères planétaires, ce qui rend la vie plus susceptible de survivre. © Eric Lundin/Randy Montoya

Une analyse plus approfondie de l’état des matériaux gazeux et denses sur des super-Terres spécifiques a produit une liste de sept planètes qui méritent peut-être une étude plus approfondie : 55 Cancri e ; Kepler 10b, 36b, 80e et 93b ; CoRoT-7b ; et HD-219134b. L’accent est mis sur les planètes surdimensionnées plutôt que sur les petites planètes, parce que les fortes pressions gravitationnelles signifient que les atmosphères sont plus susceptibles d’être maintenues sur le long terme.

Le directeur de Sandia, Christopher Seagle, explique : « Ces planètes, que nous avons trouvées comme étant les plus susceptibles de soutenir la vie, ont été sélectionnées pour une étude plus approfondie car elles ont des rapports similaires à la Terre au niveau du fer, de leurs silicates et de leurs gaz volatils, en plus des températures intérieures propices au maintien des champs magnétiques pour la protection contre le vent solaire ».

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Simuler des température et pression extrêmes grâce à la Z machine

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Pour ces expériences, la Z machine, avec des conditions de fonctionnement allant jusqu’à 26 millions d’ampères et des centaines de milliers de volts, crée des impulsions magnétiques d’une puissance énorme qui accélèrent des morceaux de cuivre et d’aluminium de la taille d’une carte de crédit, appelés « plaques volantes ».

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La Z machine génère de puissants rayons X pulsés afin d’accélérer des plaques de cuivre et aluminium, dans le but de les propulser à haute vitesse dans des cibles particulières. Les ondes résultantes de la collision donnent aux physiciens des informations précises sur le comportement du matériau testé. © Randy Montoya

Celles-ci ont été propulsées beaucoup plus rapidement qu’une balle de fusil dans des échantillons de bridgmanite, le minéral le plus courant sur Terre. La pression quasi instantanée de l’interaction artificielle a créé des ondes sonores longitudinales et transversales (similaires aux ondes sismiques) dans le matériau, qui révèlent si celui-ci reste solide ou se transforme en liquide ou en gaz. Avec ces nouveaux résultats, les chercheurs ont obtenu des données solides sur lesquelles ancrer des modèles planétaires autrement théoriques.

Le document technique conclut que les données de densité de haute précision et les températures de fusion sans précédent atteintes par la machine Z  fournissent des références pour les calculs théoriques dans des conditions extrêmes. « Ce travail identifie des candidats exoplanètes intéressants à explorer davantage. La compression de choc Z et la capacité des chercheurs à synthétiser de la bridgmanite de grand diamètre offrent une opportunité d’obtenir des données pertinentes pour les exoplanètes qui ne seraient possibles nulle part ailleurs », indique Seagle.

Sources : Nature Communications

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