Examining an asteroid impact in slow motion
Examen d'un impact d'astéroïde au ralenti
par Friedrich Schiller Université d'Iéna
PHOTO/Les gros impacts d'astéroïdes peuvent faire fondre des quantités importantes de matériaux de la croûte terrestre (vue d'artiste). Crédit : NASA, Don Davis
Pour la première fois, des chercheurs ont enregistré en direct et en détail atomique ce qui arrive au matériau lors d'un impact d'astéroïde. L'équipe de Falko Langenhorst de l'Université d'Iéna et Hanns-Peter Liermann de DESY a simulé un impact d'astéroïde avec le quartz minéral dans le laboratoire et l'a poursuivi au ralenti dans une cellule à enclume de diamant, tout en le surveillant avec la source de rayons X PETRA de DESY III.
L'observation révèle un état intermédiaire dans le quartz qui résout un mystère vieux de plusieurs décennies sur la formation de lamelles caractéristiques dans un matériau touché par un astéroïde. Le quartz est omniprésent à la surface de la Terre et est, par exemple, le constituant majeur du sable. L'analyse aide à mieux comprendre les traces d'impacts passés et peut également avoir une signification pour des matériaux entièrement différents. Les chercheurs présentent leurs découvertes dans Nature Communications.
Les impacts d'astéroïdes sont des événements catastrophiques qui créent d'énormes cratères et font parfois fondre des parties du substratum rocheux de la Terre. "Néanmoins, les cratères sont souvent difficiles à détecter sur Terre, car l'érosion, les intempéries et la tectonique des plaques les font disparaître sur des millions d'années", explique Langenhorst.
Par conséquent, les minéraux qui subissent des changements caractéristiques dus à la force de l'impact servent souvent de preuve d'un impact. Par exemple, le sable de quartz (qui chimiquement est du dioxyde de silicium, SiO2) est progressivement transformé en verre par un tel impact, les grains de quartz étant alors entrecroisés par des lamelles microscopiques. Cette structure ne peut être explorée en détail qu'au microscope électronique. On peut le voir dans le matériel du cratère Barringer relativement récent et proéminent en Arizona, aux États-Unis, par exemple.
"Pendant plus de 60 ans, ces structures lamellaires ont servi d'indicateur d'un impact d'astéroïde, mais personne ne savait jusqu'à présent comment cette structure s'était formée en premier lieu", explique Liermann. "Nous avons maintenant résolu ce mystère vieux de plusieurs décennies."
Pour ce faire, les chercheurs ont passé des années à modifier et à faire progresser des techniques permettant d'étudier les matériaux sous haute pression en laboratoire. Dans ces expériences, les échantillons sont généralement comprimés entre deux petites enclumes en diamant dans une cellule dite à enclumes en diamant (DAC). Il permet de générer de manière contrôlée des pressions extrêmes, telles qu'elles prévalent à l'intérieur de la Terre ou lors d'un impact d'astéroïde.
Lamelles caractéristiques
Pour ses expériences, l'équipe a utilisé une cellule à enclume dynamique en diamant (dDAC) dans laquelle la pression peut être modifiée très rapidement pendant la mesure. Avec cet appareil, les scientifiques ont compressé de petits cristaux de quartz de plus en plus forts, tout en faisant passer la lumière intense des rayons X de PETRA
"L'astuce consiste à laisser l'impact d'astéroïde simulé se dérouler suffisamment lentement pour pouvoir le suivre avec la lumière à rayons X, mais pas trop lentement, afin que les effets typiques d'un impact d'astéroïde puissent toujours se produire", explique Liermann. Des expériences à l'échelle des secondes se sont avérées être la bonne durée.
"Nous avons observé qu'à une pression d'environ 180 000 atmosphères, la structure de quartz s'est soudainement transformée en une structure de transition plus serrée, que nous appelons de type rosiaite", rapporte le premier auteur Christoph Otzen, qui rédige sa thèse de doctorat sur ces études. "Dans cette structure cristalline, le quartz rétrécit d'un tiers de son volume. Les lamelles caractéristiques se forment exactement là où le quartz se transforme en cette phase dite métastable, que personne n'a pu identifier dans le quartz avant nous."
La rosiaite est un minéral oxydique et l'homonyme de la structure cristalline connue de divers matériaux. Il ne se compose pas de silice, mais d'un antimoniate de plomb (un composé de plomb, d'antimoine et d'oxygène).
S'effondrer dans le désordre
"Plus la pression augmente, plus le rapport de silice avec une structure de type rosiaite dans l'échantillon est important", explique Otzen. "Mais lorsque la pression chute à nouveau, les lamelles de type rosiaite ne se transforment pas en structure de quartz d'origine, mais s'effondrent en lamelles de verre avec une structure désordonnée. Nous voyons également ces lamelles dans des grains de quartz provenant de dépôts d'impacts d'astéroïdes."
La quantité et l'orientation des lamelles permettent de tirer des conclusions sur l'impact. Par exemple, ils indiquent la hauteur de la pression d'impact. "Pendant des décennies, de telles lamelles ont été utilisées pour détecter et analyser les impacts d'astéroïdes", souligne Langenhorst, "mais ce n'est que maintenant que nous pouvons expliquer et comprendre avec précision leur formation."
Pour l'étude, les chercheurs n'ont pas utilisé les pressions les plus élevées techniquement réalisables. "Dans la plage des pressions les plus élevées, une telle quantité de chaleur est générée que le matériau fond ou se vaporise", explique Langenhorst. "Le matériau en fusion qui se solidifie à nouveau dans la roche ne nous donne pas beaucoup d'informations utiles pour l'instant. Ce qui est important, cependant, c'est précisément la plage de pression dans laquelle les minéraux subissent des changements caractéristiques à l'état solide, et c'est ce que nous avons étudié dans ce cas. "
Modèle pour la formation du verre ?
Les résultats pourraient avoir une signification au-delà de l'étude des impacts d'astéroïdes. "Ce que nous avons observé pourrait être une étude modèle pour la formation de verre dans des matériaux complètement différents tels que la glace", souligne Langenhorst. "Ce pourrait être le chemin générique par lequel une structure cristalline se transforme en une phase métastable dans une étape intermédiaire lors d'une compression rapide, qui se transforme ensuite en une structure de verre désordonnée. Nous prévoyons d'étudier cela plus avant, car cela pourrait être d'une grande importance pour la recherche sur les matériaux. ."
Avec la transformation prévue de PETRA III à DESY en le meilleur microscope à rayons X au monde, PETRA IV, de telles études seront encore plus réalistes à l'avenir. "Une intensité de rayons X 200 fois plus élevée nous permettra d'exécuter ces expériences 200 fois plus rapidement, de sorte que nous pourrons simuler un impact d'astéroïde même
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COMMENTAIRES
La silice est structurellement tétravalent comme le carbone bioxyde et on pouvait donc s 'attendre dans des conditions de passion encore plus extrêmes que son groupe de symétrie quantique permette d 'atteindre des formes minéralogiques ,homologues ...C'est le cas :bravo pour la manip !
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More information: Christoph Otzen et al, Evidence for a rosiaite-structured high-pressure silica phase and its relation to lamellar amorphization in quartz, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-36320-7
Journal information: Nature Communications
Provided by Friedrich Schiller University of Jena
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