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       - Sous une pluie d'hélium  
    Hors série - Science & Vie - 1996-09-01      
    Saturne rayonne plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du Soleil. D'où vient l'excédent ?  
    Saturne, la planète aux anneaux, la planète jaune, la planète géante, est le siège d'une secrète alchimie. En soil sein, la pression est si forte, que parmi les gaz liquéfiés, l'hydrogène, constituant majeur de notre système solaire, pourrait présenter une propriété inédite sur Terre : il conduirait le courant électrique, Une facétie prévue de longue date par la physique quantique, mais dont personne n'avait pu saisir la réalité.  
    Cela serait chose faite, selon le laboratoire national Lawrence Livermore de Californie. Leurs résultats, bien que controversés conduisent à réviser les modèles de structure interne des planètes géantes, dont Saturne fait partie. Nous entrons ainsi dans les préoccupations quotidiennes de Daniel Gautier, à l'observatoire de Meudon.  
    Pour les astronomes, décrire l'intérieur de Jupiter et de Saturne, c'est être à même d'établir les modèles de la formation et de l'évolution du système solaire. Pourquoi ? D'abord parce que ces planètes géantes ont gardé tous les éléments présents dans la nébuleuse solaire de l'origine. Leurs masses imposantes leur ont effectivement permis de retenir les gaz du nuage glacé de matières primitives de leur naissance. Les éléments légers y sont restés piégés, grâce aux températures extrêmement basses des couches élevées de leurs atmosphères, où l'agitation moléculaire reste faible.  
    C'est en essayant de mesurer les caractéristiques de ces couches, que l'on a constaté l'existence d'un bilan énergétique excédentaire Saturne, comme Jupiter ou Neptune, rayonne plus d'énergie qu'elle n'en reçoit du soleil. Les noyaux de ces planètes sont pourtant trop froids pour initier des réactions nucléaires, source de l'énergie des étoiles. D'où provient donc cet excédent ?  
    Bien avant les sondes Voyager, les astrophysiciens avaient émis une hypothèse pour expliquer l'émission de chaleur par Saturne : la planète étant très massive (5,688.1026 kg et 95 fois la masse de la Terre), l'énergie disponible serait due à la gravitation. Celle-là même qui nous fait prendre de la vitesse lorsqu'on se trouve, par malheur, en chute libre …  
    Comme les autres planètes géantes, Saturne est principalement constituée d'hydrogène et d'hélium. Plus on s'enfonce vers l'intérieur, et plus ces gaz doivent être comprimés. D'autant que le noyau dur de Saturne, relativement petit, laisse beaucoup de place à la couche d'hydrogène et d'hélium.  
    C'est dans l'épaisseur de cette couche fluide que les chercheurs soupçonnent l'existence de chutes de matière. L'énergie gravitationnelle qu'elles libèrent serait transformée en chaleur. Tout comme lors du refroidissement d'un bouillon chaud, un mécanisme de convection se chargerait de conduire cette chaleur vers la périphérie. Elle pourrait alors rayonner, puis être mesurée …  
    Reste à imaginer quels sont les composés qui tombent vers le petit noyau de Saturne. Le plus abondant dans son atmosphère, après l'hydrogène, est l'hélium. Dans les couches internes et superficielles de la planète, ce dernier passe, comme l'hydrogène, de l'état gazeux à l'état liquide. Les deux corps forment alors un mélange homogène l'hélium atomique se dissout dans l'hydrogène moléculaire (H2), comme il le fait sur Terre.  
    Lorsque ce mélange est extrêmement comprimé, les molécules d'hydrogène, plus nombreuses, devraient presque se toucher. Les électrons pourraient alors sauter d'un atome à l'autre et conduire le courant électrique, sans pour autant que les atomes deviennent des ions. Ce même processus explique la conductivité des métaux on qualifie donc simplement de "métallique" cet état de l'hydrogène.  
    L'hélium, moins abondant, serait moins soluble dans ce conglomérat métallique. Selon la règle de Gibbs, il devrait former des gouttelettes, puis des gouttes, pour finir par tomber en pluie vers le centre de la planète …  
   

Un déficit en hélium

 
    Voilà donc la chute à l'origine de l'énergie excédentaire. Qu'advient-il de ces gouttes dans les étages profonds de la planète ?  
    Toujours selon la règle de Gibbs, dès que la température dépasse une certaine valeur, l'hélium est à nouveau soluble dans l'hydrogène métallique, la proportion des ions H+étant alors plus importante. Cette température est atteinte dans une couche profonde. Là, l'hélium serait piégé.  
    Ce processus, vieux de quelque deux milliards d'années, devrait avoir considérablement enrichi en hélium les fins fonds de Saturne. A contrario, l'atmosphère de cette planète devrait accuser un déficit. C'est bien ce que les spectromètres ont mesuré en surface, l'hélium ne représente que 6% en masse. Une proportion bien plus faible que la valeur protosolaire généralement admise, soit 28% en masse. Il y a donc bien raréfaction en surface. Ce qui laisse supposer une compensation dans les couches profondes de la planète, avec des proportions d'hélium de l'ordre de 50%.  
   

Le canon à hydrogène métallique

 
    Ce modèle de migration et d'enrichissement est donc justifié aussi bien par les proportions d'hélium mesurées que par l'excédent de chaleur dégagé. Mais il repose sur une hypothèse encore incertaine : l'hydrogène "métallique" existe-t-il réellement ? Et si oui, à quelle profondeur ?  
    Pour résoudre ce problème, il faut d'abord être capable d'obtenir un peu de ce "métal". Or les conditions prévues pour la métallisation de l'hydrogène, au cour de Saturne, sont sans rapport avec les conditions terrestres. Elles imposent en effet une pression de 3 millions d'atmosphères.  
    Sur Terre, une telle pression ne peut être approchée que très brièvement. On utilise alors un canon à gaz léger. Celui-ci envoie un projectile d'aluminium ou de tantale sur une enclume fixe de saphir, laquelle contient de l'hydrogène liquide. Le temps que l'enclume se volatilise, des pressions maximales de quelque 300 GPa peuvent être atteintes.  
    De telles expériences furent menées sur l'hydrogène. A première vue, c'était une réussite : la conductivité enregistrée au cours de l'impact atteignait 2'000 (w.cm)-1 Une valeur comparable à la conductivité de métaux alcalins comme le césium, lorsqu'ils sont chauffés à la température notée durant l'impact …  
    Durant ces essais, la température de l'échantillon d'hydrogène ne s'éleva pas au-delà de 2'000 K. La vitesse des projectiles - quelque 7 kilomètres par seconde - fut suffisante pour entraîner, au fur et à mesure des réflexions de l'onde de choc sur les parois, une pression de 180 GPa, pendant quelques nanosecondes (soit 10-9 s).  
    Cette pression, plus faible que prévue, a-t-elle entraîné la transformation de l'hydrogène moléculaire en hydrogène métallique ? De fait, un sérieux doute subsiste sur le comportement de l'enclume de saphir. Son constituant, l'alumine (Al2O3), pourrait effectivement se dissocier à la température induite par le choc. Il deviendrait même conducteur, quoique trop faiblement pour court-circuiter les électrodes. Sa dissociation pourrait libérer, dans la cellule de mesure, des atomes d'oxygène natifs. Ceux-ci devraient se combiner très rapidement à l'hydrogène, lui aussi sous une forme partiellement atomique. La réaction qui s'en suivrait libèrerait momentanément des ions faussant les mesures.  
    L'augmentation de conductivité observée ne serait donc pas due à l'hydrogène métallique.  
    Que nous ont donc appris ces expériences ? Que des éléments conducteurs existent vraisemblablement dans Saturne. Elles ont en effet démontré que l'hydrogène, comme les autres atomes qui se trouvent à l'intérieur de Saturne, s'ionise facilement. La présence de ces corps conducteurs permettrait de comprendre pourquoi cette planète possède une magnétosphère imposante. Celle-ci devrait son existence à "l'effet dynamo" que produit le mouvement de tous ces ions …  
            
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