Projet ANR-12-BS04-0015 – PlanetLab : Propriètés des planètes et des exoplanètes en laboratoire
Programme : Blanc - SIMI 4 - Physique des milieux condensés et dilués (Blanc SIMI 4)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Stephane MAZEVET (Laboratoire Univers et Théorie, UMR8102, Observatoire de Paris, CNRS, Université Paris Diderot)
Partenaires : Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives; Laboratoire pour l'Utilisation des Lasers Intenses; Laboratoire Univers et Théories
Montant : 538649.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 48 mois
Résumé : PLANETLABPlanetes de laboratoire
Propriétés du fer et des silicate pour la modélisation des exoplanète de type terrestre et des exoplanèteL’objectif principal du projet est d’utiliser les simulations dites ab initio basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité pour calculer les diagrammes de phase et les propriétés physiques associées des silicates simples et oxides (SiO2, MgSiO3, MgO) et du fer et ses alliages (Fe-S, Fe-Si, Fe-O). Ces méthodes sont applicables à de tels systèmes grâce à la montée en puissance des moyens de calculs disponibles au niveau national et européen (GENCI et PRACE). L’aspect innovant de ce projet repose sur l’extension des simulations ab initio aux conditions rencontrées au coeur des planètes et exoplanètes après une validation effectuée dans le domaine de pression et température actuellement accessible aux expériences statiques et dynamiques.
simulation/experiements--Méthodes de simulations basées sur la théorie de l fonctionnelle de la densité--diagnostic XANES dans les expériences dynamique par laser de puissance
Résumé de la soumission : Le projet PLanetLab rassemble une équipe reconnue dans le domaine des propriétés de la matière en conditions extrêmes de température et de densité pour étudier les propriétés des alliages de fer et des silicates complexes dans les conditions rencontrées dans les intérieurs des planètes et des exoplanètes. Plus de 700 exoplanètes ont été découvertes à ce jour et la détection d'une planète comparable en taille à la terre vient d'être annoncée. Alors que le nombre d'exoplanètes détectées augmente à un rythme soutenu, les propriétés physiques nécessaires à leur modélisation ne sont actuellement pas disponibles. Comme ces exoplanètes sont pour la plus part beaucoup plus grosses que les planètes du système solaire, il y a actuellement un grand besoin de caractériser les propriétés physiques de quelques éléments fondamentaux constituant le coeur de ces objets pour des conditions de pression atteignant quelques dizaines de Mbars et des températures inférieures à quelques eV (1eV=11604K).  Il n'existe à ce jour pas de modèle accepté pour modéliser la structure d'une exoplanète ni d’équation d'état utilisables comme données d'entrée pour ces modèles. Bien que la variété des situations où l'on s'attend à trouver une exoplanète complique énormément sa structure et donc sa modélisation, il y a actuellement un grand besoin d'établir un standard reconnu pour les équations d'état (incluant les phénomènes de fusion) et les propriétés de transport du système complexe Fe-Si-Mg-O-S rencontré dans ces systèmes. Ce type de données va également impacter fortement la modélisation du coeur des planètes et des exoplanètes de type géante qui s appuie actuellement sur des équations d'état et des courbes de fusion des silicates très mal définies.Pour atteindre cet objectif, nous allons utiliser les simulations dites ab initio basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité pour calculer les diagrammes de phase et les propriétés physiques des composés (SiO2, MgSiO3, MgO) et (Fe-S, Fe-Si, Fe-O).  Ces méthodes sont maintenant applicables à de tels systèmes grâce à la montée en puissance des moyens de calculs disponibles au niveau national et européen (GENCI et PRACE). Les deux premiers partenaires, dont le PI de ce projet, sont co-developper du programme de structure électronique Abinit. Ils ont une expérience portant aussi bien sur le développement d’algorithmes que sur l’application de ces méthodes aux conditions extrêmes de pression et de température en utilisant les moyens de calculs massivement parallèles actuellement à disposition. Ces deux partenaires vont également développer une méthode innovante couplant les simulations de dynamique moléculaire classique et quantique afin de permettre le calcul des propriétés thermodynamiques et de transport de composés complexes. (Fe,Si,O,S) et  (Mg,Fe)SiO3 au delà de ce qui peut être mesuré par l’expérience ou simulé par les méthodes entièrement ab initio.  La force de cette proposition repose sur l’extension des simulations ab initio aux conditions rencontrées au coeur des planètes et exoplanètes après une validation effectuée dans le domaine de pression et température actuellement accessible aux expériences statiques et dynamiques. Les partenaires 3 et 4 sont reconnus à l’international pour les mesures dites statiques effectuées à l’international pour les mesures dites statiques effectuées à l’aide de cellules à enclume diamant couplées aux sources synchrotron et les mesures dynamiques utilisant les lasers de puissance. Le partenaire 3 va se concentrer sur les courbes de fusion des alliages métalliques et des silicates (Fe-S), (Fe-Si), (Fe-O), MgO, SiO2, MgSiO3. Le partenaire 4 va se concentrer sur la fusion des alliages de fer en effectuant des mesures XANES (X-ray near edge spectroscopy) effectuées simultanément à la compression. Ceci va permettre d'établir pour la première fois les équations d'état pour les constituants principaux des intérieurs planétaires. De nouvelles relations masse-rayon seront établies.
Résultats : Grâce à nos études sur les silicates, nous avons identifié que sous pression, les silicates présentaient une structure complexe assez similaire à celles trouvées pour les phases solides à des conditions de pression comparables. Ceci a été démontré de manière théorique et expérimentale grâce au développement du diagnostic XANES pour les expériences de compression dynamique.
Nous montrons également que les silicates sont probablement présents à l’état liquide à l’intérieur des planètes géantes contrairement à ce qui est supposé jusqu’à présent. Un pas important vers la validation expérimentale de ce résultat a été franchi en effectuant durant ce projet la première mise en conditions du quartz à des pressions et températures rencontrées à l’intérieur d’Uranus et Neptune
L’utilisation innovante du diagnostic XANES couplé aux expériences dynamique nous a permis de détecter la fusion du fer sous choc à hautes pressions en tirant avantage des caractéristiques du rayonnement XFEL. Ces mesures ont permis de contraindre la courbe de fusion à hautes pressions.
Perspectives : calcul des modèles de structure internes des exoplanète de type terrestre.
Publications et brevets : 1.	J. Bouchet, S. Mazevet, G. Morard, F. Guyot «Ab initio equation of state of iron up to 1500GPa« Phys. Rev. B, 87 094102 (2013).
2.	A. Benuzzi, S. Mazevet, A. Ravasio, et al, «Progress in Warm Dense Matter study with applications to planetology« Physica Scripta T161, 014060 (2014).
3.	S. Mazevet, V. Recoules, J. Bouchet, A. Ravasio, A. Benuzzi, F.      Guyot, M. Harmand, «Ab initio X-ray absorption of iron up to 3Mbar  and 8000K«, Phys. Rev. B 89, 100103 (2014).
4.	A. Denoeud, A. Benuzzi-Mounaix, A. Ravasio, F. Dorchies, P.M. Leguay,J. Gaudin, F. Guyot, E. Brambrink, M. Koenig, S. Le Pape, and S. Mazevet, «Metallization of warm dense SiO2 studied by XANES spectroscopy« Phys. Rev. Lett 113, 116404 (2014).
5.	Morard, G., Andrault, D., Antonangeli, D., Bouchet J. “Properties of iron alloys under Earth’s core conditions”, Compte Rendus Acad. Sciences Géosciences, 346, 5-6, 130-139  (2014).
6.	G. Morard, G. Garbarino, D. Antonangeli, D. Andrault, N. Guignot, J. Siebert, M. Roberge, E. Boulard, A. Lincot, A. Denoeud and S. Petitgirard 2014. Density measurements and structural properties of liquid and amorphous metals under high pressure. High Press. Res., 2014, 34, 1, 9-21.
7.	S. Mazevet, T. Tsuchyia, T. Taniuchi, A. Benuzzi, F. Guyot, «Melting and metallization of silica in the cores of gas giants, ice   giants and super Earths«, Phys. Rev. B 92, 014105 (2015).
8.	M. Harmand, A. Ravasio, S. Mazevet et al., «Melting of iron close to Earth’s inner core boundary conditions detected by XANES spectroscopy in laser shock experiment », Phys. Rev. B 92, 024108 (2015).
9.	A. Denoeud, G. Morard, A. Benuzzi-Mounaix, H. Uranishi, Y. Kondo, R. Kodama, E. Brambrink, A. Ravasio, M. Harmand, F. Guyot, M. Koenig and N. Osaki  (2015) “Dynamic X-ray diffraction observation of shocked solid iron up to 180 GPa”. Proc. Nat. Ac. Sc., Under Review.