Il pleut des diamants dans Neptune

Quelque part, à environ 8 000 kilomètres sous la surface bleue et paisible de Neptune, la météo devient étrange. Pas une étrangeté d'orage — une étrangeté chimique. Sous une pression aussi écrasante, l'atmosphère de la planète cesse de se comporter comme de l'air et se met à agir comme une forge. Les atomes de carbone sont comprimés jusqu'à se figer dans l'arrangement le plus dur et le plus convoité que la nature sache fabriquer. Et alors, selon la théorie, ces minuscules cristaux font ce que font les choses lourdes : ils tombent. Il pleut des diamants à l'intérieur de Neptune et d'Uranus. Pendant des décennies, ce ne fut qu'une belle hypothèse. Il y a quelques années, une équipe a fait tomber cette pluie sur une paillasse de laboratoire en Californie.

Comment fabriquer une tempête de diamants

Commençons par les bons ingrédients. Neptune et Uranus ne sont pas des géantes gazeuses comme Jupiter — ce sont des géantes de glace, gorgées d'eau, d'ammoniac et de méthane. Le méthane est la clé. Chaque molécule de méthane, c'est un atome de carbone donnant la main à quatre atomes d'hydrogène, et l'intérieur profond de ces planètes est tapissé de chaînes d'hydrocarbures bâties à partir d'exactement cela.

Maintenant, montez le curseur. Descendez de quelques milliers de kilomètres et la pression grimpe jusqu'à environ 1,5 million de fois l'atmosphère terrestre en surface, à des températures avoisinant les 5 000 °C — plus chaud que la surface de bien des étoiles, et plus comprimé que le fond de n'importe quel océan. Dans ces conditions, les hydrocarbures ne peuvent plus garder leur forme. Les liaisons se déchirent : l'hydrogène file d'un côté, et les atomes de carbone libérés sont pressés si violemment les uns contre les autres qu'ils se verrouillent dans le réseau rigide du diamant. La même physique qui rend les diamants rares et précieux sur Terre devient, là en bas, la simple météo locale.

Une tempête de diamants sur une paillasse, le temps d'un milliardième de seconde

Le hic, c'est qu'aucune sonde n'a jamais plongé dans Neptune pour observer ce phénomène — et aucune ne le fera jamais. Les pressions écraseraient instantanément le moindre vaisseau. Alors, en 2017, une équipe menée par le physicien Dominik Kraus a fait le mieux possible au SLAC National Accelerator Laboratory, en Californie : reproduire l'intérieur d'une géante de glace, le temps d'une fraction de battement de cœur.

Leur substitut au méthane planétaire était merveilleusement modeste — du polystyrène, du plastique ordinaire, la matière des gobelets en mousse et des emballages. Il contient le même carbone et le même hydrogène que la vraie chose. Ils l'ont frappé avec un puissant laser optique pour propager deux ondes de choc qui se chevauchent à travers l'échantillon, le comprimant jusqu'à environ 150 gigapascals — cette pression planétaire de 1,5 million d'atmosphères — et des milliers de degrés, précisément là où les fronts de choc se croisaient et où la pression culminait.

Pour voir le résultat, ils ont utilisé le laser à électrons libres à rayons X du laboratoire, en tirant des impulsions de rayons X ne durant que 50 femtosecondes — cinquante millionièmes de milliardième de seconde. Un éclair aussi bref peut figer les atomes en plein mouvement, comme un appareil photo doté d'un obturateur impossiblement rapide. Et sur ces images figées, le carbone s'était réorganisé : là où les chocs se chevauchaient, le plastique s'était mué en diamant. « Quand j'ai vu les résultats, a confié Kraus, ce fut l'un des plus beaux moments de ma carrière scientifique. »

Presque tout s'est changé en diamant

Le plus frappant n'était pas que ça ait marché — mais à quel point. Presque chaque atome de carbone du plastique avait été happé dans des diamants. Pas un grain égaré ici et là : le carbone s'était converti en bloc.

Les diamants eux-mêmes étaient des nanodiamants, à peine quelques milliardièmes de mètre de large — trop petits pour orner une bague, mais incontestablement du diamant d'après leur signature atomique. À l'intérieur de Neptune et d'Uranus, avec des milliers d'années pour grandir au lieu d'un éclair d'une femtoseconde, les cristaux devraient devenir bien, bien plus gros — peut-être des millions de carats chacun. Et comme le diamant est plus dense que la bouillie qui l'entoure, ces gemmes ne restent pas en place. Elles coulent. À l'échelle des temps géologiques, on pense qu'elles dérivent vers le bas à travers le manteau glacé et s'accumulent en une couche scintillante près du cœur — une lente et perpétuelle chute de neige de joyaux, qui tombe depuis aussi longtemps que ces planètes existent.

Pourquoi celle-ci me reste

Il y a là une jolie ironie cosmique. Sur Terre, nous extrayons les diamants de quelques rares poches de croûte profonde, nous nous les disputons, nous les enfermons dans des coffres. Là-bas, à la lisière froide de notre propre système solaire, deux mondes bleus d'apparence quelconque en fabriquent tranquillement à la pleine planète et enterrent la récolte là où personne ne pourra jamais l'atteindre.

Cela renverse aussi une petite idée reçue. On a tendance à voir les diamants comme le produit d'une planète anormalement chanceuse. Mais la recette — carbone, pression écrasante, chaleur — est partout. Les mêmes conditions existent presque certainement à l'intérieur des géantes de glace en orbite autour d'autres étoiles, ce qui signifie que la pluie de diamants pourrait être l'une des météos les plus ordinaires de l'univers. Rare ici, banale là-bas.

Alors la prochaine fois qu'on vous dira que les diamants sont éternels, vous pourrez répondre mieux encore : quelque part, en ce moment même, sur une planète trop hostile pour qu'on s'y rende un jour, il en pleut, silencieusement, sans fin.

Photos : imagerie Voyager 2 de la NASA/JPL (domaine public) ; diamant via Unsplash (libre d'utilisation). Science d'après le SLAC National Accelerator Laboratory, le Lawrence Livermore National Laboratory, et l'étude de 2017 parue dans Nature Astronomy, dirigée par Dominik Kraus.