First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
Cette étude utilise des calculs de premiers principes pour caractériser les propriétés structurales, dynamiques et thermodynamiques des alliages de Fe-S liquides sous les conditions du noyau externe de la Terre, révélant que bien que des concentrations de soufre comprises entre 10,2 et 11,4 % en masse puissent expliquer la densité du noyau, elles ne parviennent pas à rendre compte de sa vitesse du son, indiquant ainsi que le soufre seul ne peut être l'unique élément léger présent.
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Bien en dessous de nos pieds, cachée de toute vue directe, repose un océan de métal bouillonnant qui génère le champ magnétique de la Terre et façonne la chaleur interne de la planète. Il s'agit du noyau externe, une couche de fer liquide qui s'étend de la limite avec le noyau interne solide jusqu'au manteau situé au-dessus. Bien que nous ne puissions pas forer dans cette région, les sismologues peuvent écouter les vibrations de la Terre lorsqu'elles voyagent à travers elle, tout comme un médecin utilise les ondes sonores pour voir à l'intérieur d'un corps. Ces mesures révèlent que le noyau liquide est moins dense que ne le serait le fer pur à ces profondeurs écrasantes, ce qui suggère qu'il est mélangé à des éléments plus légers. Depuis des décennies, les scientifiques débattent pour savoir lequel de ces éléments légers — peut-être l'oxygène, le silicium ou le soufre — est l'ingrédient principal de cette soupe cosmique. Comprendre la recette exacte est crucial car la densité et la vitesse du son à travers le noyau nous indiquent comment la Terre génère son bouclier magnétique et comment elle s'est refroidie au cours de milliards d'années.
Une équipe de chercheurs s'est maintenant tournée vers de puissantes simulations informatiques pour résoudre une pièce de ce puzzle, en se concentrant spécifiquement sur le soufre. En utilisant une méthode qui calcule le comportement des atomes à partir des lois fondamentales de la physique, ils ont modélisé du fer liquide mélangé à des quantités variables de soufre sous les conditions de pression et de température extrêmes présentes dans le noyau externe. Au lieu de s'appuyer sur des expériences physiques, qui sont incroyablement difficiles à réaliser à de telles profondeurs, ils ont construit un laboratoire virtuel où ils pouvaient observer comment les atomes de fer et de soufre se déplacent, se lient et interagissent. Ils ont testé des mélanges allant du fer pur jusqu'à près de quinze pour cent de soufre en poids, observant comment ces changements affectaient les propriétés du matériau et la vitesse à laquelle les ondes sonores le traverseraient.
Les simulations ont révélé qu'à mesure que le soufre est ajouté au fer liquide, les atomes se réorganisent. Les atomes de soufre, étant plus petits et plus légers, forment des liaisons plus serrées avec le fer, rapprochant la distance moyenne entre les atomes. Ce changement structurel a un effet clair sur les propriétés du matériau : la densité du mélange chute, tandis que la vitesse à laquelle le son voyage à travers lui augmente. Les chercheurs ont constaté que la pression joue un rôle bien plus important que la quantité de soufre dans le changement de ces propriétés, mais le contenu en soufre laisse tout de même une empreinte distincte. En comparant leurs résultats simulés avec les données sismiques réelles du noyau terrestre, ils ont pu restreindre la quantité possible de soufre présent.
L'étude suggère que si le soufre était le seul élément léger mélangé au noyau, il devrait représenter environ dix à onze pour cent de l'alliage en poids pour correspondre à la densité observée. Cette concentration spécifique correspond aux mesures sismiques de la masse du noyau. Cependant, un problème important surgit lorsque les chercheurs examinent la vitesse du son. À cette même concentration de soufre, les ondes sonores simulées voyagent trop vite par rapport à ce que les sismologues mesurent réellement dans la Terre. Les modèles indiquent que pour correspondre à la vitesse du son, le noyau devrait contenir beaucoup moins de soufre, peut-être moins de neuf pour cent, mais cette quantité ne parviendrait pas à expliquer la densité du noyau.
Ce décalage entre la densité et la vitesse du son mène à une conclusion claire : le soufre seul ne peut expliquer la composition du noyau externe de la Terre. Les données impliquent qu'un autre élément léger, invisible, doit être présent aux côtés du soufre pour équilibrer les équations. Le travail des chercheurs fournit une référence précise et cohérente sur la manière dont le fer et le soufre se comportent ensemble sous ces conditions extrêmes, servant de fondation solide pour des études futures qui devront probablement inclure un troisième ou même un quatrième élément pour résoudre pleinement le mystère du cœur caché de la Terre. Leurs découvertes confirment que, bien que le soufre soit un candidat probable, la véritable recette du noyau de notre planète est plus complexe qu'un simple mélange à deux ingrédients.
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