Les conditions extrêmes de température et de pression régnant à l’intérieur des planètes rendent compliquées voire impossibles la caractérisation expérimentale de ces milieux et des phénomènes physiques mis en jeu. La simulation numérique est alors indispensable pour aller au-delà du domaine expérimental possible et étudier la composition et les propriétés du cœur des planètes. L’équipe du Dr Razvan Caracas du laboratoire de Geologie de l’Ecole Normale Supérieure de Lyon propose une approche innovante qui associe une modélisation multi-échelles de l’intérieur des planètes à des simulations ab initio basées sur les lois physiques fondamentales.

L’une des avancées majeures obtenue par l’équipe est le calcul de la conductivité électrique du fer contenu dans le noyau terrestre. Si les expériences permettent d’atteindre des pressions de l’ordre de 150 GPa (soit 1,5 millions d’atmosphères), on est encore loin des pressions régnant au sein du noyau terrestre (350 GPa). Les calculs réalisés ont donc permis de caractériser la conductivité électrique du fer jusqu’à des pressions de 400 GPa, avec un accord parfait dans le domaine couvert par l’expérience. À l’arrivée, la conductivité électrique obtenue est deux fois plus grande qu’attendue. Des géodynamiciens ont pu utiliser ces valeurs pour modéliser la cristallisation de la graine, partie solide du noyau terrestre, prédire son temps de cristallisation et ainsi déterminer son âge, qui se révèle être beaucoup plus jeune qu’anticipé.

D’une manière générale, la constitution des noyaux planétaires, y compris celui de la Terre, est encore mal connue du fait du manque d’informations directes. S’il est admis que le noyau terrestre est essentiellement composé de fer (80 %) et de nickel (~10 %), d’autres éléments légers encore indéterminés entrent dans sa composition pour environ 10 %. Des calculs réalisés sur le fractionnement isotopique entre les silicates constituant le manteau terrestre, et les alliages de fer, constituant le noyau, ont montré pour la première fois que le carbone ne devrait pas entrer dans la composition du noyau, contrairement à l’oxygène et au silicium qui en font probablement partie.

Depuis 2007, le groupe de recherche contribue également au projet WURM[1] qui vise à réaliser une base de données ouverte sur le web fournissant, pour des matériaux d’intérêt minéralogique, les propriétés physiques telles que la structure cristalline, le spectre Raman ou les propriétés diélectriques. Ces propriétés physiques sont exclusivement calculées par des méthodes ab initio via le logiciel ABINIT[2], et mises à disposition de la communauté. Ce projet vient notamment en appui de la mission d’exploration Mars 2020 qui prévoit d’envoyer un spectromètre Raman à la surface de Mars (instrument SuperCam du CNES qui équipera le rover de la NASA). 

Des calculs de dynamique moléculaire ont également été réalisés sur la glace d’eau dans des conditions extrêmes, semblables à celles que l’on retrouve au cœur des planètes géantes glacées telles que Neptune ou Uranus. À haute température (au-delà de 1300 K) et haute pression (au-delà de 10 GPa soit 100 mille atmosphères), la glace d’eau atteint des états exotiques dits ionique et superionique. Dans ce dernier état très spectaculaire, la glace présente à la fois un caractère cristallin (réseau d’atomes d’oxygène) et liquide (les ions hydrogène diffusent au sein du réseau). Ces études ont permis de prouver l’existence de trois nouvelles phases au sein de l’état superionique et de mettre en lumière les transitions de phases associées. La conductivité élevée calculée pour cet état superionique pourrait expliquer les champs magnétiques particuliers observés sur les planètes glacées.  À partir de ces travaux, les équipes du Tokyo Institute of Technology vont tenter de caractériser expérimentalement les nouvelles transitions de phases calculées.

 

Le projet porté par le Dr Caracas a bénéficié d’un accès aux moyens de calcul de GENCI, avec 11 millions d’heures de calcul attribuées en 2016 sur les supercalculateurs Ada, Occigen et Curie. Les travaux ont fait l’objet de six publications en 2016 dans des revues à comité de lecture telles que Science ou Physical Review Letters.

 

Pour aller plus loin :

 

[1] http://wurm.info/ [5]

[2] http://www.abinit.org [6]