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La nucléosynthèse, ou comment les étoiles fabriquent des atomes

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Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous parle de l'astrophysique nucléaire des étoiles. Ces gigantesques réacteurs naturels à fusion thermonucléaire produisent de futurs noyaux d'atomes à partir de l'hydrogène et de l'hélium. Le plus souvent, la fabrication s'arrête au fer, le plus stable. Mais au-delà, pour des noyaux plus lourds, certains mystères subsistent.

Le physicien Georges Gamow pensait que tous les éléments avaient été synthétisés au début de l'Univers dans le cadre de la théorie du Big Bang. Mais au milieu des années 1950, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler et Fred Hoyle ont démontré ensemble que ces éléments, à l'exception de l'hydrogène, de l'hélium et du lithium effectivement produits pendant le Big Bang, prenaient en fait naissance au cœur des étoiles à partir de réactions de fusion thermonucléaire. Il en résulta un article légendaire publié en 1957, et appelé depuis B2FH, un nom formé avec les initiales des auteurs. Lors d'un colloque récent en 2007, Geoffrey Burbidge a rappelé cette histoire, également racontée dans un article sur arXiv.

Des flux de neutrons mal compris dans la synthèse d'éléments lourds

La théorie de la nucléosynthèse stellaire qui décrit la production des noyaux dans les étoiles jusqu'au fer est bien assise depuis cette époque. Mais les débats continuent quant à l'origine des éléments plus lourds, comme les noyaux d'or, de plomb et d'uranium. Il est certain que plusieurs d'entre eux peuvent être produits par les intenses flux de neutrons qui accompagnent les explosions d'étoiles massives sous forme de supernovae SN II. Ces neutrons sont capturés par les noyaux plus légers dans lesquels ils peuvent se désintégrer par radioactivité bêta en protons. On parle d'addition de neutrons par un processus rapide (r process en anglais), mais ce processus peut être lent (s process, s comme slow).

Toutefois, il est difficile d'expliquer les abondances de noyaux lourds et de leurs isotopes riches en neutrons dans l'univers observable. C'est pourquoi certains ont proposé que la nucléosynthèse de ces noyaux lourds se soit également effectuée de façon importante lors de collisions entre étoiles à neutrons au sein de systèmes binaires.

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