Les chercheurs ont découvert que le noyau interne de la Terre existe dans un état superionique, où les atomes de carbone se déplacent librement à travers un réseau de fer solide, expliquant son comportement mou inattendu. Cette découverte, confirmée par des expériences simulant les conditions du noyau, résout de longue date les énigmes sismiques. Les résultats suggèrent que la dynamique du noyau pourrait également soutenir le champ magnétique de la planète.
Le noyau interne de la Terre, une sphère dense de fer et d'éléments légers sous une pression extrême dépassant 3,3 millions d'atmosphères et des températures autour de 2600 kelvin, a longtemps intrigué les scientifiques. Bien qu'il soit solide, il présente des propriétés comme un métal ramolli, avec des ondes de cisaillement sismiques ralentissant et un rapport de Poisson ressemblant plus à du beurre qu'à de l'acier.
Une étude publiée dans National Science Review apporte une explication décisive. Dirigée par le Prof. Youjun Zhang et la Dr. Yuqian Huang de l'Université de Sichuan, avec le Prof. Yu He de l'Institut de Géochimie de l'Académie chinoise des sciences, l'équipe démontre que les alliages fer-carbone du noyau interne entrent dans une phase superionique. Dans cet état, les atomes de carbone diffusent rapidement à travers la charpente de fer stable, semblable à un mouvement liquide dans une structure solide, réduisant significativement la rigidité de l'alliage.
«Pour la première fois, nous avons montré expérimentalement que l'alliage fer-carbone sous conditions du noyau interne présente une vitesse de cisaillement remarquablement basse», a déclaré le Prof. Zhang. «Dans cet état, les atomes de carbone deviennent hautement mobiles, diffusant à travers la charpente cristalline de fer comme des enfants slalomant dans une danse carrée, tandis que le fer lui-même reste solide et ordonné. »
Les preuves proviennent d'expériences de compression de choc dynamique, accélérant des échantillons à 7 kilomètres par seconde pour atteindre 140 gigapascals et des températures proches du noyau. Combinées à des simulations de dynamique moléculaire et des mesures de vitesse sonore in situ, les résultats montrent une chute brutale de la vitesse des ondes de cisaillement et une hausse du rapport de Poisson, correspondant aux données sismiques observées.
Ce modèle superionique explique l'anisotropie sismique — variations des vitesses d'ondes selon la direction — et offre de nouvelles perspectives sur le géodynamo. Le mouvement des éléments légers pourrait fournir une source d'énergie supplémentaire pour le champ magnétique terrestre.
«La diffusion atomique dans le noyau interne représente une source d'énergie négligée jusqu'ici pour le géodynamo», a déclaré la Dr. Huang. «En plus de la chaleur et de la convection compositionnelle, le mouvement fluide des éléments légers pourrait aider à alimenter le moteur magnétique de la Terre. »
La recherche passe d'une vision d'un noyau interne statique à une dynamique, avec des implications pour la compréhension des planètes rocheuses et des exoplanètes. Elle a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et d'autres programmes.