Découverte glaçante : une nouvelle glace apparaît à plus de 2 300 °C, un état inconnu sur Terre
De la glace à plus de 2 300 °C : l’idée sonne comme un paradoxe absurde. Pourtant, cet état existe bel et bien, mais nulle part sur Terre à l’état naturel. Une équipe de physiciens français vient de l’observer en laboratoire pour la toute première fois, et ce qu’ils ont découvert pourrait rebattre les cartes de notre compréhension des géantes glacées du Système solaire.
Une glace qui n’a plus rien de commun avec vos glaçons
La glace que l’on connaît, celle des glaçons ou des glaciers, n’est qu’une des vingt phases cristallines répertoriées de l’eau. Toutes les autres n’existent que sous des conditions extrêmes, totalement étrangères à la surface terrestre. Parmi elles, une forme baptisée glace superionique défie l’intuition la plus élémentaire.
Dans cet état hybride, les atomes d’oxygène restent figés dans un réseau cristallin rigide, comme dans un solide classique. Mais les noyaux d’hydrogène, eux, circulent librement à travers cette structure, un comportement typique des liquides. Un mélange des genres qui n’apparaît que sous des pressions de plusieurs millions d’atmosphères et des températures de plusieurs milliers de degrés, des conditions que l’on retrouve par exemple dans le manteau d’Uranus.
Ces environnements extrêmes rappellent d’autres découvertes récentes qui bousculent notre vision de la matière, comme cet alliage métallique jamais observé né d’une chaleur infernale, ou encore les phénomènes qui se produisent chaque jour sous nos pieds, révélés par les expériences souterraines menées à la frontière franco-suisse.
Un mini-enfer recréé en laboratoire par le CEA
C’est une équipe menée par Alexis Forestier, du CEA, en collaboration avec la Sorbonne et le Synchrotron européen de Grenoble, qui signe cette prouesse. Leurs résultats, publiés le 9 septembre dans la revue Physical Review Letters, décrivent une phase inédite de cette glace hors norme.
Pour y parvenir, les chercheurs ont comprimé une goutte d’eau microscopique entre deux pointes de diamant, seul matériau capable d’encaisser une telle pression, tout en la chauffant par laser à 2 630 kelvins, soit 2 357 °C. À pression maximale, l’échantillon ne mesurait plus qu’une douzaine de micromètres, mais supportait 230 gigapascals, l’équivalent de 2,3 millions de fois la pression atmosphérique au niveau de la mer.
À titre de comparaison, le centre de la Terre atteint 360 gigapascals. La valeur obtenue en laboratoire se rapproche donc de celle régnant dans le manteau profond d’Uranus. Un faisceau de rayons X a ensuite permis de sonder la disposition exacte des atomes d’oxygène dans ce cristal miniature, révélant une architecture jamais observée jusqu’ici. Ce genre de résultat rappelle à quel point les propriétés de l’eau réservent encore des exceptions que l’on n’enseigne pas à l’école, et combien la matière peut se comporter de façon inattendue une fois soumise à des conditions extrêmes, comme le montrent aussi les surprises génétiques révélées après plus d’un siècle d’isolement.
Le détail qui pourrait changer notre vision d’Uranus et Neptune
Jusqu’à présent, la seule forme de glace superionique connue, appelée glace XVIII, présentait une géométrie cubique : ses atomes d’oxygène s’empilaient exactement les uns au-dessus des autres, comme des billes superposées. La phase découverte par l’équipe française adopte, elle, un empilement hexagonal compact, où chaque couche se décale pour s’imbriquer dans les creux de la précédente, à la manière d’œufs calés dans leur boîte alvéolée.
Entre 130 et 200 gigapascals, les deux arrangements cohabitent au sein du même cristal. Passé ce seuil, seule la forme hexagonale subsiste. Un résultat que des simulations numériques, notamment celles publiées par Cheng et ses collègues dans Nature Physics en 2021, avaient déjà anticipé, sans qu’aucune expérience ne vienne les confirmer jusqu’ici.
L’enjeu dépasse largement la curiosité de laboratoire. On soupçonne fortement que la glace superionique compose une part importante du manteau d’Uranus et de Neptune, deux planètes dont les champs magnétiques désaxés restent l’une des grandes énigmes non résolues du Système solaire. Si la phase hexagonale conduit moins bien l’électricité que la cubique sur laquelle reposaient jusqu’ici tous les modèles planétaires, ces derniers pourraient bien reposer sur une hypothèse incomplète.
Pour l’heure, impossible de trancher : la découverte n’a que quelques jours. Il faudra sans doute plusieurs années avant qu’elle ne débouche sur une véritable révision des modèles des géantes de glace.
Une simple goutte d’eau, comprimée à l’extrême, vient donc de rouvrir un dossier que l’on croyait clos sur la physique des planètes lointaines. Reste à savoir combien d’autres états inconnus de cette molécule pourtant si familière se cachent encore, quelque part entre les diamants d’un laboratoire grenoblois et les entrailles glacées d’Uranus.