Propriété des glaces planétaires aux conditions des interiors des (exo)-planètes – PROPICE

L'intérieur des géants de glace Uranus et Neptune se compose de grandes quantités d'éléments légers hydrogène, helium, carbone, azote et oxygène à des pressions extrêmes de plusieurs millions d'atmosphères et à des températures de plusieurs milliers de kelvins. Ces environnements favorisent des processus physiques et chimiques exotiques, tels que la polymérisation, les séparations de phases, la dissociation des hydrocarbures en diamant et en hydrogène métallique ou la formation des réseaux super-ioniques dns l'eau et dans l’ammoniac. Ces processus sont très complexes et, jusqu'à présent, ne peuvent pas être modélisés de manière fiable avec la théorie et les méthodes de simulation existantes. Néanmoins, comprendre ces phénomènes est essentiel pour comprendre la structure interne d’Uranus et Neptune, ainsi que pour expliquer leur champs magnétiques inhabituels et pour élucider leur bilan thermique interne. D’autre part, des planètes de taille et probablement de composition similaires se révèlent être très abondantes en dehors de notre système solaire. Ainsi, une meilleure compréhension de melanges C-H-N-O est nécessaire à la fois pour construire de meilleurs modèles de notre système solaire et pour une classification fiable des exoplanètes à partir des données de masse et de rayon obtenues par les observation astronomiques.
Pour cela, nous effectuerons des expériences en laboratoire pour étudier ces mélanges dans des conditions similaires à celles de l'intérieur des géantes de glace à l'aide de systèmes laser énergétiques. Ces états seront sondés in situ par des diagnostics optiques et à rayons X pour caractériser différentes propriétés, telles que l'équation d'état, la conductivité, la diffusivité et la viscosité ainsi que la cinétique des transitions de phase et des réactions chimiques. Le projet proposé rejoindra deux PIs très actifs dans ce domaine pour un effort conjoint : Alessandra Ravasio a été la pionnière dans la conception d'échantillons liquides des stoechiométriques relevantes pour géantes de glace et adaptés à des experiences de compression dynamique par laser.
Dominik Kraus a couplés plusieurs diagnostics à rayons X (diffraction X, diffusion X résolue spectralement et diffusion des rayons X aux petits angles) pour étudier in situ les réactions chimiques dans des polymères fortement comprimés dans des experiences sur des installation laser à electron libres (XFEL).
Le projet proposé exploitera ces expertises complémentaires pour acquérir une compréhension globale des propriétés de la matière à l'intérieur des géantes de glace à l’aide des experiences exploitant les derniers développements dans des installations laser optiques et à rayons X.
Les données expérimentales obtenues seront discutées dans le cadre d'une collaboration internationale établie par les IP, comprenant des experts en calculs de dynamique moléculaire et dans la communauté de modèles d'intérieurs planétaires. Cette synergie apportera une amelioration tangible dans notre comprehension d'une vaste classe d'objets astronomiques, allant des satellites glacées aux grandes planètes géantes, Uranus et Neptune, et un large ensemble d'exo-planètes.