métal des terres rares

À 40 années-lumière de nous se trouve une étoile longtemps passée inaperçue : TRAPPIST-1 émet dans l'espace deux mille fois moins de lumière que le Soleil. En revanche, elle possède sept planètes de la taille de la Terre, dont trois orbitent dans la zone où l'eau pourrait rester liquide. Mais on savait peu de choses sur l'étoile elle-même, sur sa chimie interne.

Trois armoires remplies de pierres. Dans la première, des grains métalliques et un minéral gris, l'enstatite ; dans la deuxième, les mêmes grains, mais avec des veines rouillées ; dans la troisième, des argiles stratifiées, gonflées d'eau. Ces trois ensembles proviennent de météorites tombées sur Terre, des chondrites.

Un électron en trop dans une molécule, c'est un peu comme un passager qui s'accroche de justesse à la porte d'un train en marche. Ce « passager » transforme la particule en anion — un ion négatif. L'étudier n'est pas simple : la liaison est faible, le nuage électronique est diffus, et le moindre choc peut arracher l'électron.

Deux cent quatre-vingt-neuf jours — c'est la durée d'une rotation de la naine blanche WD 1532+129. Ce n'est pas qu'un simple record : à sa surface, près des pôles magnétiques, apparaissent des cicatrices de fer et d'autres métaux — des témoins silencieux des planètes qu'elle a englouties.

En 1946, proposa une méthode qui a bouleversé l'archéologie : déterminer l'âge d'un objet grâce à la désintégration du carbone 14. L'horloge tourne : tous les 5730 ans, la moitié des atomes disparaît. Mais pourquoi si lentement ? Pour un noyau léger, c'est une anomalie — les durées de vie typiques sont des millions de fois plus courtes.

L'âge d'une étoile est la clé de l'histoire de la Galaxie. Mais arracher cette clé à la nature n'est pas chose aisée : contrairement à un arbre, une étoile ne produit pas de cernes annuels. Pourtant, son atmosphère renferme un code chimique : le rapport des éléments, qui a lentement changé au fil des générations d'étoiles qui mouraient et naissaient.

La matière noire — l'architecte invisible de l'Univers, qui empêche les galaxies de se disperser. Grâce à Fritz Zwicky et Vera Rubin, nous savons que la matière ordinaire dans le cosmos n'est qu'une infime impureté. Mais que se cache-t-il derrière cette matière noire ?

Au plus profond sous nos pieds, dans le manteau incandescent, le fer mène une double vie. Il peut être bivalent ou trivalent — comme une pièce qui retombe sur pile ou face. De quel côté penche la balance dépend la quantité d'oxygène qui reste dans l'enveloppe rocheuse de la planète et celle qui part dans le noyau.

L'histoire a commencé il y a près d'un siècle, lorsque Edwin Hubble a montré que les galaxies s'éloignent, et que Fritz Zwicky et Vera Rubin ont compris plus tard que leurs mouvements nécessitent une masse invisible — la matière noire.

Le mystère du principal coude dans le spectre des rayons cosmiques galactiques — le genou à 3 PeV — a perduré près d'un siècle.

Le champ magnétique augmente, mais l'aimantation reste figée. Comme une balance sur laquelle on ajoute des poids sans que l'aiguille ne bouge, jusqu'à ce qu'il y en ait assez pour sauter à la graduation suivante. C'est exactement le comportement des cristaux de tétraborures de terres rares, et les physiciens n'ont pas compris pourquoi pendant des décennies.

Dans les nuages sombres et froids de gaz interstellaire, les astronomes remarquent depuis plusieurs années des molécules aromatiques – des composés dont la base est le cycle benzénique (un hexagone d'atomes de carbone), comme dans le benzène que nous connaissons.

La planète rouge est entourée de débris de mondes avortés — des blocs de pierre remplis de métal. Envoyer un kilogramme d'acier de la Terre vers Mars coûte autant que plusieurs voitures. Il est bien moins cher de récupérer de la ferraille spatiale directement en orbite.

Dans l'amas ouvert Trumpler 5, où des centaines d'étoiles se déplacent ensemble, une étoile se comporte comme une adolescente au milieu de personnes âgées. Elle pulse — tantôt elle gonfle, tantôt elle se contracte, changeant d'éclat toutes les quelques heures.

Au cœur des supraconducteurs à base de cuivre — ces matériaux qui conduisent le courant sans perte à des températures étonnamment élevées — se cache une phase invisible. Elle se comporte comme un métal ordinaire, mais elle est indétectable dans les mesures standard.

Sous nos pieds, dans l'épaisseur de la planète, se déroule une lente désintégration d'éléments radioactifs. Elle engendre de minuscules particules : les géoneutrinos. Elles traversent la croûte terrestre, le manteau et le noyau sans presque interagir avec la matière.

Un panier tressé en osier tient sa forme grâce à l'entrelacement des brins. Un motif similaire — des triangles imbriqués dans un réseau plat — a été découvert dans un nouveau cristal de formule Cs₃V₉Te₁₃. Ici, les atomes de vanadium forment deux ensembles de triangles qui se traversent mutuellement, comme des fils dans un tissu.

Quand un boulanger pétrit sa pâte, chaque grain de farine peut révéler de quel moulin il vient. Il en va de même pour la Terre : la composition du fer dans ses profondeurs garde la mémoire de l'origine des fragments qui ont formé la planète.

La Terre, dans sa jeunesse, ressemblait à une ruche : elle grandissait en agrégeant d'innombrables blocs de pierre. Une fois la construction principale achevée, un essaim tardif de météorites s'est abattu sur la jeune planète – ce qu'on appelle le grand bombardement tardif.

En 2017, une pierre est tombée du ciel dans le village indien de Mukhundpura. C'était une rare météorite carbonée – un fragment de matière cosmique ancienne qui conserve les traces de la naissance du système solaire. Les habitants ont rapidement ramassé les morceaux, qui ont été envoyés en laboratoire.

Aux confins de la Voie lactée se cachent de minuscules systèmes stellaires, si peu lumineux qu'on les distingue à peine même avec de puissants télescopes. Jusqu'à récemment, les astronomes ne savaient presque rien de ces objets, baptisés satellites compacts ultra-faibles.

Parfois, une traînée de feu traverse le ciel nocturne. C'est un morceau de roche venu de l'espace qui brûle dans l'air, et la couleur de l'éclair permet de lire de quels éléments il était composé. Des astronomes ont pointé des caméras sensibles sur ces éclairs et, parmi 180 clichés, ont trouvé deux pierres qui ne ressemblent pas à la plupart des étoiles filantes.

Dans les profondeurs de l'espace, à plus de 12 milliards d'années-lumière, le télescope James Webb a aperçu une galaxie qui semble être une invitée des premiers jours de l'Univers.

Un morceau de chrome exposé à l'air se couvre en une minute d'une armure invisible : un film d'oxyde. Ce film protège le métal de la rouille, mais pour une batterie, c'est une catastrophe : le film ne laisse pas passer les ions de chrome, et le courant ne circule pas. Les scientifiques ont mélangé cinq métaux — chrome, bismuth, cuivre, étain et nickel.

Les minuscules aiguilles magnétiques à l'intérieur d'un cristal d'oxyde de terbium et d'iridium se comportent étrangement : au lieu de s'aligner le long de leur axe préféré, elles se placent perpendiculairement. Cet état se forme complètement lors du refroidissement à 1,5 kelvin — une température plus froide que celle de l'espace interstellaire.

Deuxième visiteur interstellaire, la comète 3I/ATLAS brille d'une manière inhabituelle à cause de grains de métal rouillés dans son noyau glacé. En s'approchant du Soleil, elle se comporte comme une vieille boîte de conserve jetée dans un feu de camp : la chaleur fait fondre la glace, l'eau s'infiltre dans le métal, et une corrosion intense s'ensuit.

Le nouveau matériau magnétique est organisé comme une pile de crêpes : dans chaque couche, toutes les « flèches » atomiques pointent dans la même direction, mais la couche voisine est aimantée dans le sens opposé. Le motif de triangles — le réseau kagomé — est déformé parce qu'une partie des atomes a été remplacée par des haltères de germanium.

Dans le flux de particules chargées qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie, le fer s'est révélé être le mouton noir. L'instrument ATIC-2, hissé à bord d'un ballon au-dessus de l'Antarctique, a comparé comment la proportion de noyaux allant du soufre au chrome varie avec l'énergie par rapport au fer.