Les sub-Neptunes, des planètes dont la taille se situe entre celle de la Terre et celle de Neptune, sont les plus répandues dans la Galaxie. Mais on ne peut pas s'y poser : elles n'ont pas de surface solide, seulement une atmosphère dense d'hydrogène. En dessous, il y a probablement un océan de silicate fondu, la même roche qui constitue le manteau terrestre. On pensait autrefois que l'atmosphère et l'océan ne se mélangeaient pas, comme l'huile et l'eau. Mais à des pressions de millions d'atmosphères et des températures de milliers de degrés, la frontière disparaît. L'hydrogène se dissout dans le silicate, et on obtient un fluide supercritique homogène : ni liquide, ni gaz, mais quelque chose d'intermédiaire qui s'écoule comme un liquide mais remplit le volume comme un gaz.
Pour comprendre les propriétés de ce mélange, les scientifiques ont simulé sur ordinateur une cellule de 243 atomes de magnésium, de silicium, d'oxygène et d'hydrogène. Ils ont fait fondre le silicate, ajouté de l'hydrogène et « comprimé » jusqu'à des pressions six millions de fois supérieures à la pression atmosphérique. Il s'est avéré que l'hydrogène dissous rend le mélange moins dense que le silicate pur. Et ce n'est pas simplement une dilution : les atomes d'hydrogène s'intègrent dans la structure du silicate, et le mélange ne se comporte pas comme on pourrait s'y attendre en mélangeant simplement deux substances. À haute pression, l'hydrogène cesse d'exister sous forme de molécules H2 et s'incorpore dans le réseau silicaté.
Cette découverte est importante pour comprendre la structure des sub-Neptunes. Si l'hydrogène se répartit différemment entre l'atmosphère et les profondeurs, le rayon de la planète peut varier de 5,7 %. Pour une planète de 20 000 km de rayon, cela représente plus de 1000 km. Désormais, les scientifiques disposent d'une équation d'état qu'ils peuvent intégrer dans les modèles de structure interne des planètes pour déterminer plus précisément leur composition à partir de la masse et du rayon observés. L'hydrogène s'avère être non pas une impureté passive, mais un ingrédient actif qui modifie toute la recette.
À une pression d'environ 340 GPa et une température de 4000 K, seul un atome d'hydrogène sur dix conserve une liaison avec un autre hydrogène pendant plus de 100 femtosecondes ; les autres sont déjà intégrés dans le réseau silicaté.