Deux formes d’eau salée gelée récemment découvertes pourraient aider les scientifiques à résoudre un mystère concernant la du système solaire lunes incrustées de glace.
Lorsqu’ils sont soumis à des pressions plus élevées et à des températures plus basses que celles que l’on peut trouver dans la nature sur Terre, les atomes de chlorure de sodium hydraté – plus communément appelé glace d’eau salée – se sont disposés dans des structures jamais identifiées auparavant qui ont une proportion beaucoup plus élevée de molécules d’eau. que le sel.
Cela pourrait expliquer l’étrange signature chimique d’une substance à la surface d’Europe, la lune de Jupiter, qui semble plus aqueuse que ne le pensent les scientifiques.
“Il est rare de nos jours d’avoir des découvertes fondamentales en science”, explique le scientifique de la Terre et de l’espace Baptiste Journaux de l’Université de Washington.
“Le sel et l’eau sont très bien connus dans les conditions terrestres. Mais au-delà de cela, nous sommes totalement dans le noir. Et maintenant nous avons ces objets planétaires qui ont probablement des composés qui nous sont très familiers, mais dans des conditions très exotiques. Nous avons refaire toute la science minéralogique fondamentale que les gens ont faite dans les années 1800, mais à haute pression et à basse température. C’est une époque passionnante.
Le sel et l’eau – également connus sous le nom de chlorure de sodium et d’oxyde de dihydrogène – sont tous deux abondants sur notre monde d’origine. Lorsqu’elles sont combinées, les molécules de sel se dissolvent dans celles de l’eau pour créer une solution. La présence du sel abaisse le point de congélation de la solution par rapport à l’eau non salée, mais à mesure que la température continue de baisser dans des conditions atmosphériques terrestres typiques, elle finira par geler.
Image d’un des nouveaux hydrates, avec 17 molécules d’eau et deux de sodium. (Journaux et al., PNAS, 2023)
Lorsqu’il le fait, les molécules s’arrangent dans une structure de réseau rigide connue sous le nom d’hydrate. Sur Terre (hors laboratoire), cette structure n’a qu’une seule configuration : une molécule de sel pour deux molécules d’eau.
Sur des lunes comme Europe et Ganymède, qui orbitent autour de Jupiter, et la lune Encelade de Saturne, les scientifiques ont également trouvé des preuves de sel et d’eau, seules les conditions dans lesquelles les deux se trouvent sont assez différentes de celles de la Terre.
Exposées au quasi-vide de l’espace, loin du Soleil, les surfaces de ces mondes lointains peuvent devenir extrêmement froides. Sous leurs couches de glace se trouvaient des océans qui pouvaient dans certains cas être plus de 100 fois plus épais que les eaux les plus profondes de la Terre, ce qui entraînait des pressions et des températures assez extrêmes.
Journaux et ses collègues ont entrepris d’étudier l’impact du sel sur la production de glace. Ils ont comprimé une minuscule goutte d’eau salée dans une cellule à enclume de diamant dans des conditions extrêmement froides, générant des pressions jusqu’à 25 000 fois la pression atmosphérique terrestre tout en abaissant les températures à -123 degrés Celsius (-190 degrés Fahrenheit).
Ils ne s’attendaient pas à la suite.
“Nous essayions de mesurer comment l’ajout de sel modifierait la quantité de glace que nous pourrions obtenir, car le sel agit comme un antigel”, explique Journaux. “Étonnamment, lorsque nous avons mis la pression, ce que nous avons vu, c’est que ces cristaux auxquels nous ne nous attendions pas ont commencé à croître. C’était une découverte très fortuite.”
Schéma montrant les deux nouveaux hydrates. La structure précédemment connue est sur la gauche. (Baptiste Journaux/Université de Washington)
Dans les conditions de leur expérience, les chercheurs ont vu émerger deux nouveaux arrangements de molécules de sel et d’eau. L’un comportait deux molécules de sel pour 17 molécules d’eau; l’autre avait 13 molécules d’eau pour une molécule de sel. Les deux sont très différents du sel, deux eaux observés naturellement sur Terre – et cohérents avec les signatures chimiques aqueuses observées sur les lunes de glace.
“Il a la structure que les planétologues attendaient”, ajoute Journaux.
Selon les chercheurs, le principal facteur est la pression, qui écrase les molécules les unes contre les autres et les oblige à trouver de nouvelles façons de coexister. Mais même lorsque la pression a été relâchée, l’un des hydrates nouvellement identifiés – celui avec 17 molécules d’eau – est resté stable jusqu’à des températures de -50 degrés Celsius. Cela suggère qu’il pourrait également être trouvé ici sur Terre, peut-être sous la glace de l’Antarctique.
Des recherches futures devront être entreprises pour déterminer si cette découverte peut résoudre le mystère de la lune glacée.
“[The hydrate’s] les spectres infrarouges restent à déterminer dans de futures études”, écrivent les chercheurs, “mais sa structure hyperhydratée pourrait résoudre le mystère de longue date de la phase hydratée non identifiée à la surface d’Europe et de Ganymède”.
La recherche a été publiée dans Actes de l’Académie nationale des sciences.
