Découvertes fondamentales: des expériences extrêmes révèlent les secrets internes de la Terre.
Les chercheurs de RIKEN ont mesuré la vitesse du son de fer pur à des pressions extrêmes, éclairant la composition du noyau de la Terre et permettant des mesures améliorées pour d'autres matériaux.
Les scientifiques ont précisément contraint la composition du noyau de la Terre en effectuant des mesures de vitesse du son à une pression deux fois supérieure à celle des précédentes.
En se basant sur un programme lancé il y a 15 ans par Alfred Q. R. Baron au sein du Laboratoire de dynamique des matériaux de RIKEN, les chercheurs ont finalement pu mesurer la vitesse du son de fer pur à des pressions statiques correspondant à celles du noyau interne de la Terre. Cela a été rendu possible grâce à la ligne de faisceau de nanodynamique quantique de RIKEN Spring-8 Center: en combinant son spectromètre de pointe avec de nouveaux développements en optique des rayons X et un nouveau type de cellule à haute pression, l'équipe a été capable de réaliser des mesures dans des conditions stables à des pressions environ deux fois supérieures à leur précédent record, et plus de trois fois supérieures à celles de toutes autres installations dans le monde (Figure 1).
Figure 1: Le spectromètre haute résolution de la ligne de faisceau de nanodynamique quantique de RIKEN (BL43LXU) du RIKEN Spring-8 Center. Les photos montrent le bras principal du spectromètre, les positions des échantillons et deux scientifiques pour l'échelle. Crédit: ©2023 RIKEN Spring-8 Center
Le travail est intéressant car il permet de fixer des contraintes sur la composition du noyau de la Terre. « Nous avons en réalité étonnamment peu d'informations sur le centre de la planète où nous vivons, » explique Baron. « D'autres travaux suivant la progression des ondes sismologiques des tremblements de terre à travers la planète nous donnent un modèle pour la densité et la vitesse du son en fonction de la profondeur - mais c'est à peu près tout: la composition détaillée reste inconnue et sujet à débat, car la composition est importante à la fois pour comprendre la structure actuelle de la planète et également l'évolution de la planète et même du système solaire. »
La mesure la plus récente, publiée dans Nature Communications, a été une collaboration entre le groupe de dynamique des matériaux de Baron au RIKEN Spring-8 Center, Eiji Ohtani et Daijo Ikuta de l'université de Tohoku, et des chercheurs de l'université d'Ehime et de l'Institut de recherche sur les rayonnements synchrotron du Japon (SPring-8/JASRI). L'équipe a mesuré la vitesse du son de fer pur en fonction de la pression jusqu'à des densités dépassant celles du noyau interne de la Terre, où la pression dépasse 300 gigapascals, validant une relation linéaire connue sous le nom de loi de Birch.
En utilisant les nouveaux résultats, ils proposent un modèle où, en plus du fer et du nickel, le noyau de la Terre contient de petites quantités de silicium et de soufre.
« De plus, et peut-être le plus important, la méthode peut être étendue à d'autres matériaux, permettant un nouveau niveau de précision pour les mesures de vitesse du son de matériaux à pressions extrêmes », ajoute Baron.
