Callisto, la lune glacée de Jupiter. Crédit image: NASA Cliquez pour agrandir
Alors que les scientifiques en apprennent davantage sur notre système solaire, ils ont trouvé de la glace d'eau dans des situations inhabituelles. Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont recréé ce type de glace dans leur laboratoire; de la glace qui imite probablement les conditions de pression, de température, de stress et de taille des grains de ces lunes. Cette glace peut lentement glisser et tourbillonner en fonction de la température de l'intérieur des lunes.
Cette glace quotidienne que vous utilisez pour refroidir votre verre de limonade a aidé les chercheurs à mieux comprendre la structure interne des lunes glacées aux confins du système solaire.
Une équipe de recherche a démontré un nouveau type de «fluage» ou d'écoulement dans une forme de glace à haute pression en créant dans un laboratoire les conditions de pression, de température, de stress et de taille de grain qui imitent celles de l'intérieur profond des grandes lunes glacées.
Les phases de glace à haute pression sont des composantes majeures des lunes glacées géantes du système solaire externe: Ganymède et Callisto de Jupiter, Titan de Saturne et Triton de Neptune. Triton a à peu près la taille de notre propre lune; les trois autres géants ont un diamètre environ 1,5 fois plus grand. La théorie acceptée dit que la plupart des lunes glacées se sont condensées en "boules de neige sales" du nuage de poussière autour du soleil (la nébuleuse solaire) il y a environ 4,5 milliards d'années. Les lunes ont été réchauffées intérieurement par ce processus d'accrétion et par désintégration radioactive de leur fraction rocheuse.
Le flux convectif de glace (un peu comme les tourbillons dans une tasse de café chaud) à l'intérieur des lunes glacées contrôlait leur évolution ultérieure et leur structure actuelle. Plus la glace est faible, plus la convection est efficace et plus l'intérieur est frais. Inversement, plus la glace est forte, plus l'intérieur est chaud et plus la possibilité d'apparaître comme un océan interne liquide est grande.
La nouvelle recherche révèle dans l'une des phases de haute pression de la glace («glace II») un mécanisme de fluage qui est affecté par la taille des cristallites ou des «grains» de la glace. Cette découverte implique une couche de glace significativement plus faible dans les lunes que ce que l'on pensait auparavant. Ice II apparaît d'abord à des pressions d'environ 2 000 atmosphères, ce qui correspond à une profondeur d'environ 70 km dans le plus grand des géants glacés. La couche de glace II a une épaisseur d'environ 100 km. Les niveaux de pression au centre des lunes géantes glacées atteignent finalement l'équivalent de 20 000 à 40 000 atmosphères terrestres.
Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), de l'Université de Kyushu au Japon et de l'US Geological Survey ont mené des expériences de fluage à l'aide d'un appareil d'essai à basse température dans le laboratoire de géophysique expérimentale du LLNL. Ils ont ensuite observé et mesuré la taille des grains de glace II à l'aide d'un microscope électronique à balayage cryogénique. Le groupe a découvert un mécanisme de fluage qui domine l'écoulement à des contraintes plus faibles et à des grains plus fins. Des expériences antérieures à des contraintes plus élevées et à des mécanismes d'écoulement activés de plus grande taille de grain ne dépendaient pas de la taille du grain.
Les expérimentateurs ont pu prouver que le nouveau mécanisme de fluage était en effet lié à la taille des grains de glace, ce qui n'avait été auparavant examiné que théoriquement.
Mais la mesure n'a pas été facile. Tout d'abord, ils ont dû créer de la glace II de granulométrie très fine (moins de 10 micromètres, soit un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain). Une technique de cyclage rapide de la pression au-dessus et au-dessous de 2 000 atmosphères a finalement fait l'affaire. Ajoutant à cela, l'équipe a maintenu une pression très constante de 2000 atmosphères dans l'appareil d'essai pour exécuter une expérience de déformation à faible contrainte pendant des semaines. Enfin, pour délimiter les grains de glace II et les rendre visibles au microscope électronique à balayage, l'équipe a développé une méthode de marquage des joints de grains avec la forme courante de glace («glace I»), qui semblait différente de la glace II au microscope. . Une fois les limites identifiées, l’équipe a pu mesurer la taille des grains de la glace II.
"Ces nouveaux résultats montrent que la viscosité d'un manteau glacé profond est beaucoup plus faible que nous le pensions auparavant", a déclaré William Durham, géophysicien à la Direction de l'énergie et de l'environnement de Livermore.
Durham a déclaré que le comportement de haute qualité de l'appareil de test à une pression de 2000 atmosphères, la collaboration avec Tomoaki Kubo de l'Université de Kyushu et le succès rencontré pour surmonter de sérieux défis techniques ont conduit à une expérience fortuite.
En utilisant les nouveaux résultats, les chercheurs concluent qu'il est probable que la glace se déforme par le mécanisme de fluage sensible à la taille des grains à l'intérieur des lunes glacées lorsque les grains mesurent jusqu'à un centimètre.
"Ce mécanisme de fluage récemment découvert changera notre façon de penser l'évolution thermique et la dynamique interne des lunes de moyenne et grande taille des planètes extérieures de notre système solaire", a déclaré Durham. «L'évolution thermique de ces lunes peut nous aider à expliquer ce qui se passait au début du système solaire.»
La recherche apparaît dans le numéro du 3 mars de la revue Science.
Fondé en 1952, le laboratoire national Lawrence Livermore a pour mission d'assurer la sécurité nationale et d'appliquer la science et la technologie aux questions importantes de notre temps. Le Lawrence Livermore National Laboratory est géré par l'Université de Californie pour la National Nuclear Security Administration du Département américain de l'énergie.
Source d'origine: Communiqué de presse LLNL
