Chez Messier, Brahé et Galilée : la taverne du gentleman astronome

insiste Sandra Ninet, physicienne à Sorbonne-Université.
«C'est vrai qu'elle défie l'intuition: elle est solide, mais avec du liquide à l'intérieur: C'est quand même très inhabituel, non? Même pour les spécialistes de la physique de l'eau, cette glace est perturbante», avoue Marius Millot, qui a été le premier à la fabriquer, en 2018, au Lawrence Liver-more National Laboratory, en Californie. Il l'a baptisée « glace noire». Et pas seulement parce qu'elle est mystérieuse, mais parce que «c'est réellement la seule qui soit opaque! Toutes les autres sont transparentes et isolantes comme le verre... sauf elle. Ses propriétés sont vraiment uniques, c'est ce qui la rend passionnante ».

COMME URANUS

Ils sont aujourd'hui une trentaine de physiciennes et physiciens à fabriquer ou à simuler le comportement de cette eau fantastique. Une passion longtemps restée toute théorique, dans le sillage des travaux du chercheur soviétique Ivan Ryzhkin qui, avec un simple crayon et une feuille de papier, avait anticipé dès 1985 que si l'on soumettait la glace à très haute pression, les molécules H2O finiraient par se briser: ses atomes d'oxygène s'organiseraient alors en un réseau cristallin immobile, et donc en glace, laissant l'hydrogène circuler à l'intérieur dans un état qui s'apparente à du liquide. Il prédisait que cette eau deviendrait alors superionique, c'est-a-dire qu'elle conduirait le courant électrique, non pas à travers le mouvement de ses électrons, comme le font les métaux, mais à travers ses ions hydrogène. « Il existe beaucoup de composés qui deviennent superioniques lorsqu'on les chauffe, comme l'iodure d'argent ou les fluorures de plomb, et qui font d'ailleurs aujourd'hui l'objet de recherches industrielles pour les batteries électriques, cite Alexis Forestier, physicien au CEA à Bruyères-le-Châtel. On pensait que l'eau, dans des conditions extrêmes, pouvait avoir le même comportement. » Ce qui n'avait alors qu'un intérêt purement fondamental, vu qu'il fallait dépasser 700°C et plusieurs centaines de fois la pression atmosphérique pour la fabriquer: Sauf qu'en 1999, l'Italien Carlo Cavazzoni montre qu'il pourrait y avoir de la glace noire à l'intérieur d'Uranus et de Neptune.
«Depuis leur survol par la sonde Voyager 2 à la fin des années 1980, on sait que les champs magnétiques de ces géantes ne sont pas du tout dipolaires, comme ceux de la Terre ou de Jupiter, mais très irréguliers, comme s'il y avait des mouvements de matière ionisée dans certaines couches de ces planètes, qui engendrent une dynamo », explique Tristan Guillot, planétologue à l'observatoire de la Côte d'Azur, à Nice. Qui confirme: « D'après nos modèles les plus récents, Uranus et Neptune pourraient avoir, sous une enveloppe d'hydrogène et d'hélium, une couche d'eau liquide qui, à mesure que la température et la pression augmentent, deviendrait ionique, puis superionique.» Ce qui pourrait aussi être le cas de nombreuses exoplanètes de masse et de taille semblables découvertes ces dernières années autour d'étoiles lointaines. «Oui, la glace superionique pourrait être un type de glace très courant dans les systèmes planétaires, c'est pourquoi elle nous intéresse beaucoup!», s'enthousiasme le planétologue.

HÉROÏQUES

Objectif: en fabriquer en laboratoire. «Atteindre les pressions et les températures nécessaires est difficile mais pas impossible avec les dispositifs expérimentaux dont on dispose, témoigne Marius Millot. Le plus compliqué, c'est que des qu'on chauffe l'eau, ses ions hydrogène deviennent libres de se promener, et elle se transforme en acide: il faut donc éviter qu'elle dévore son contenant. » Son équipe a contourné le problème en utilisant une série d'ondes de choc provoquées par douze lasers haute puissance pour comprimer une fine couche de glace coincée entre deux lamelles de diamant pendant quelques nanosecondes, et, en même temps, l'isoler du milieu extérieur: C'est comme ça qu'ils ont pu vérifier en 2018 que leur glace conduisait bien le courant via ses ions hydrogène; puis, en 2019, qu'elle avait bien une structure cristalline d'oxygène, deux conditions qui leur ont permis d'attester qu'ils avaient bel et bien fabriqué de la glace noire. «Ce sont des manipulations héroïques, à la limite de ce qu'on peut faire, salue Gunnar Weck, physicien au CEA à Bruyères-le-Châtel. Mais elles ne durent que quelques nanosecondes, et leur interprétation est très délicate. » Son équipe et lui utilisent une autre technique, qui consiste à écraser un échantillon de glace de l'épaisseur d'un cheveu entre deux diamants. « On peut ainsi maintenir des hautes pressions de 1 à 2 millions d'atmosphères pendant plusieurs dizaines de minutes, ce qui nous laisse le temps d'étudier plus finement les propriétés de notre glace.» En 2022, avec Sandra Ninet, ils ont ainsi montré qu'il existait deux phases différentes de glace superionique, avec des atomes d'oxygène arrangés différemment l’une dite « cubique centrée » et l'autre « cubique face centrée»-, et que la glace passe d'une configuration à l'autre à mesure que la pression monte.
Tout récemment, avec Alexis Forestier, ils ont aussi détecté le moment précis où la glace passe de l'état normal à l'état superionique: « Le cristal formé par les atomes d'oxygène gonfle tout d'un coup!», s'émerveille Alexis Forestier:

POUSSER LES CURSEURS

Et les expérimentateurs continuent de pousser les curseurs.
Car les théoriciens l'ont prévu: à plus haute pression, il devrait exister une troisième phase de glace superionique, de structure hexagonale cette fois. Les expériences sont en cours. «Oui, il pourrait y avoir toutes sortes de glaces noires différentes, avec des structures variées, et c'est ce qu'on essaie de savoir; confie Marius Millot, qui travaille désormais sur le NIF, le laser ultra-énergétique du Livermore, utilisé dans les expériences de fusion nucléaire pour pouvoir monter encore en température et en pression. On aimerait notamment voir jusqu'à quelle température l'état superionique tient avant que tout finisse par redevenir liquide, quand on atteindra les 7 millions d'atmosphères, c'est-à-dire la pression qui règne au cœur des planètes glacées. Un vrai défi de mesure. » Sandra Ninet, quant à elle, s'est associée à des physiciens américains pour tester, en 2024, un tout nouveau dispositif expérimental à Hambourg: «C'est un laser X à électrons libres, particulièrement intense, qui nous permet de chauffer un métal autour de notre échantillon de glace et de l'analyser en même temps. Une technique très prometteuse, car on peut suivre en temps réel les réactions de la glace superionique. »

TOUJOURS PLUS PRÈS

Les experts en simulation sont eux aussi mobilisés. « Les planétologues nous disent: s’il vous plait, donnez-nous l'équation d'etat de la glace superionique, sa viscosité, sa conductivité thermique, témoigne Mandy Bethkenhagen, physicienne à l'Institut polytechnique de Paris. Alors on fait tourner nos modèles pour essayer de leur donner les bonnes réponses. » En 2021, elle a étudié la nature de la glace superionique à l'intérieur des planètes: « Il semble que dans Uranus et Neptune, elle est plutôt sous la phase cubique face centrée, car c'est la plus stable thermodynamiquement. Mais en même temps, l'état cubique centré est plus facile à atteindre... sans compter que dans ces planètes, il n'y a pas que de l'eau, il y a aussi de l'ammoniaque et du méthane.

On essaie de voir toutes les possibilités de coexistence de ces différents éléments.»
Une tâche d'autant plus ardue que la glace d'ammoniaque peut elle aussi devenir
superionique, mais pas la glace de méthane. «On essaie de s'approcher de plus en plus de l'intérieur des planètes, mais c'est compliqué et ça prend beaucoup de temps», témoigne Sandra Ninet, qui étudie tous ces mélanges expérimentalement.

Le doute, dernièrement, s'est insinué.
En 2022, l'équipe de Maurice de Koning, à l'université d'État de Campinas, à Sao Paulo, a mené des simulations spécifiques sur l'intérieur d'Uranus et de Neptune, suggérant que, plutôt qu'un bloc solide, la glace noire serait visqueuse avec des mouvements de convection interne: « Il semble qu'elle se déforme plus facilement que ce que l'on pensait», analyse le physicien. Or, pour son confrère Burkhard Militzer, à l'université de Californie, c'est plutôt une mauvaise nouvelle: « La convection à l'intérieur d'une planète a pour effet d'uniformiser son champ magnétique, donc d'effacer les anomalies. Du coup, il ne doit pas y avoir beaucoup de glace noire dans Uranus et Neptune, tout au plus une fine couche. Et surtout, ce n'est pas elle qui expliquerait leurs anomalies magnétiques. » Lui propose, sur la base de ses simulations, que les géantes soient plutôt constituées d'un océan d'eau liquide et d'hydrogène, qui générerait leurs anomalies magnétiques avec, en dessous, une succession de couches d'atomes d'oxygène, de carbone et d'azote « qui ne se mélangeraient pas, un peu comme l'eau et l'huile ». Exit la glace noire d'Uranus et Neptune? « Il faudrait quand même faire d'autres simulations pour être sûrs que les valeurs de viscosité trouvées pour la glace noire sont réellement incompatibles avec les observations des anomalies magnétiques de ces planètes », réagit Tristan Guillot.
Le mieux, évidemment, serait d'aller voir sur place. « Avec la mission spatiale autour d'Uranus envisagée par la Nasa vers 2035, on devrait pouvoir mesurer les variations du champ magnétique par la convection de la glace noire, si elle existe », atteste le planétologue français. De quoi savoir enfin.
Une réponse qui ne tombera pas avant 2050, le temps que la sonde arrive à destination. «Ce seront nos enfants et nos petits-enfants qui réécriront les manuels scolaires sur ces planètes-là », sourit Tristan Guillot. En attendant, l'état le plus fantastique de l'eau garde son mystère.