À 10 000 kilomètres sous les nuages bleutés de Neptune, la pression atteint 150 gigapascals et la température frôle les 5 000 kelvins. Personne n’a jamais pu y envoyer de sonde, la coque de n’importe quel engin serait broyée bien avant d’atteindre cette profondeur. Pourtant, en 2017, une équipe de physiciens a réussi à recréer ces conditions extrêmes dans un laboratoire californien, et à filmer en direct ce que la théorie prédisait depuis des décennies : la naissance de diamants.

En 2017, une équipe dirigée par le physicien Dominik Kraus a utilisé le gigantesque laser à rayons X du SLAC National Accelerator Laboratory en Californie pour recréer cette réaction et l’observer, avec des résultats publiés dans la revue Nature Astronomy. L’idée trottait dans la tête des scientifiques depuis plus de trente ans, mais elle restait cantonnée aux modèles informatiques. Les pressions nécessaires pour former cette pluie de diamants se situent sous des milliers de kilomètres d’atmosphère qui écraseraient n’importe quel vaisseau bien avant son arrivée, si bien que pendant des décennies l’idée a vécu dans les modèles informatiques et les débats savants, une place respectable pour une hypothèse, mais qui ne vaut pas une preuve.

Sommaire

1. Du polystyrène pour simuler l’intérieur d’une planète géante
2. Presque tout le carbone transformé en nanodiamants
3. Une source de chaleur interne encore mal comprise

Du polystyrène pour simuler l’intérieur d’une planète géante

Reproduire artificiellement le cœur d’une planète glacée demande une astuce assez inattendue. L’équipe n’a pas utilisé de méthane, mais une fine feuille de polystyrène ordinaire, le plastique que l’on trouve dans les gobelets jetables, parce que ce matériau est composé d’hydrogène et de carbone, exactement les deux éléments qui comptent à l’intérieur des géantes de glace. Un choix pragmatique : le méthane réel, sous forme gazeuse et instable, aurait été bien plus difficile à manipuler dans un dispositif expérimental de précision.

Concrètement, les chercheurs ont soumis des échantillons de polystyrène (C8H8) à des conditions extrêmes comme celles régnant à 10 000 km sous la surface d’Uranus ou Neptune, à peu près 5 000 K et 150 gigapascals, ce matériau simulant les composés polymères qui se forment à partir du méthane dans les couches les plus profondes de la planète. Pour y parvenir, les échantillons ont été bombardés par deux ondes de chocs successives provoquées par un laser dans le visible. C’est la rencontre de ces deux ondes de choc qui génère, l’espace d’un instant, une zone de surpression suffisante pour reproduire l’enfer qui règne au cœur des planètes.

Le vrai tour de force n’était pas de créer ces conditions, mais de les observer avant qu’elles ne disparaissent. La percée a consisté à trouver comment faire durer les conditions pertinentes juste assez longtemps pour photographier le résultat, ne serait-ce qu’un instant. Pour cela, les scientifiques ont sondé le matériau choqué avec des impulsions de rayons X de 50 femtosecondes, une femtoseconde équivalant à un millionième de milliardième de seconde, et ont ainsi vu les atomes de carbone du plastique intégrer de minuscules diamants là où les ondes de choc se superposaient, créant des zones de pression plus élevée.

Presque tout le carbone transformé en nanodiamants

Le résultat a dépassé les attentes des chercheurs eux-mêmes. Dans l’expérience, les scientifiques ont pu voir que presque chaque atome de carbone du plastique d’origine était incorporé dans de petites structures de diamant de quelques nanomètres de large. Un rendement quasi parfait, à l’échelle du laboratoire s’entend : on parle ici de cristaux invisibles à l’œil nu, mille fois plus fins qu’un cheveu.

Extrapolée aux conditions réelles de Neptune et d’Uranus, cette réaction change radicalement d’échelle. Sur Uranus et Neptune, les auteurs de l’étude prédisent que les diamants deviendraient beaucoup plus gros, peut-être de l’ordre de millions de carats. Difficile d’imaginer un joyau pareil : aucune mine terrestre n’a jamais extrait quoi que ce soit d’approchant, le plus gros diamant brut jamais trouvé sur Terre, le Cullinan, pesait à peine plus de 3 000 carats.

Ce qui se joue ensuite relève d’une lente chorégraphie géologique. Sur Uranus et Neptune, l’équipe de recherche prédit que les diamants deviendraient beaucoup plus gros, peut-être de l’ordre de millions de carats, et il est possible que sur des milliers d’années, ces diamants coulent lentement à travers les couches de glace des planètes pour s’assembler en une épaisse couche autour du noyau. Une pluie qui ne tombe pas en quelques minutes comme chez nous, mais qui s’étale sur des millénaires entiers, goutte de carbone après goutte de carbone.

Une source de chaleur interne encore mal comprise

Cette chute n’est pas anodine pour l’équilibre thermique de ces mondes lointains. En coulant vers le noyau, les diamants denses libèrent de l’énergie gravitationnelle sous forme de chaleur, un peu comme une pierre jetée dans un étang agite l’eau, et cette pluie pourrait constituer une source supplémentaire de chaleur interne, l’une des questions ouvertes sur la façon dont les géantes de glace restent aussi chaudes à l’intérieur qu’elles le semblent. Reste que l’ampleur exacte de ce phénomène demeure discutée : l’importance de cette contribution relève encore de la modélisation, pas de la mesure directe.

Ce travail pionnier n’était que le début. En 2024, une équipe menée par le physicien Mungo Frost au SLAC a repris l’expérience avec le laser européen à rayons X à électrons libres, cette fois installé à Schenefeld en Allemagne. Les résultats, publiés dans Nature Astronomy, suggèrent que cette pluie de diamants se forme à des pressions et des températures encore plus basses que ce qui était pensé auparavant, et apportent des indices sur l’origine des champs magnétiques complexes de Neptune et d’Uranus. Un détail qui intrigue particulièrement les scientifiques, tant les champs magnétiques de ces deux planètes sont étrangement désaxés et irréguliers, contrairement à ceux, bien plus symétriques, de la Terre ou de Jupiter.

Le phénomène ne se limite d’ailleurs pas à notre coin de galaxie. Les résultats suggèrent aussi que cette pluie de diamants serait possible sur des planètes gazeuses plus petites que Neptune et Uranus, les fameuses mini-Neptunes, l’un des types d’exoplanètes les plus courants découverts hors du Système solaire. quelque part dans notre galaxie, des milliers de mondes pourraient abriter, sous leurs nuages, une pluie de pierres précieuses que personne ne verra jamais tomber.

Sources : lafilledanslalune.fr | france24.com