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RESOLUT : des mini-supernovae en laboratoire !

ActualitéClassé sous :Astronomie , supernovae , SN Ia

Des chercheurs aux USA reproduisent en laboratoire les conditions régnant lors de l'explosion des supernovae. Un nouveau dispositif, RESOLUT, permet une étude plus fine de la production de noyaux exotiques instables à l'origine des éléments lourds au delà du fer. Ces études pourraient même aider à comprendre la nature de l'énergie noire.

Une supernova SN Ia au voisinage d'une galaxie (Crédit : obspm).

L'astrophysique nucléaire est une des disciplines les plus fascinantes en astrophysique puisque grâce à elle on arrive à expliquer l'origine des éléments et de la source de l'énergie des étoiles. Nous savons que les processus chimiques ou biologiques ne peuvent pas convertir un atome d'un élément en un autre, seules les réactions nucléaires peuvent changer la charge et la masse d'un noyau atomique et donc le convertir en un autre élément. En fait, l'abondance relative des éléments et des isotopes que nous trouvons dans la nature représente une signature des processus nucléaires à l'œuvre dans l'histoire de l'Univers de son commencement jusqu'à aujourd'hui.

La nucléosynthèse primordiale et la nucléosynthèse stellaire ne produit que des éléments légers.

Nous savons ainsi que les noyaux d'hydrogène ont été formés peu de temps après le Big Bang et que des processus nucléaires ont fait fusionner une partie de cet hydrogène pour produire de l'hélium et du lithium environ 3 minutes après la naissance du cosmos. Cependant, cette nucléosynthèse primordiale ne pouvait pas procéder beaucoup plus loin parce qu'il n'est pas possible de former dans les conditions qui régnaient alors des noyaux stables avec une masse atomique de 5 ou de 8.  C'est plus tard, quand l'hydrogène se sera condensé pour former des étoiles, que l'on pourra obtenir par nucléosynthèse stellaire l'ensemble des éléments jusqu'au fer. Les éléments les plus légers seront eux obtenus par cassure (spallation) des éléments plus lourds exposés aux rayons cosmiques.

Si l'on trace la courbe des énergies de liaison des noyaux, on voit que le fer occupe  la crête de cette courbe, ce qui veut dire que le processus de fusion finit avec lui et l'on s'est naturellement demandé comment des éléments plus lourds comme l'argent ou le plomb avaient bien pu se former.

Energie de liaison par nucléon en MeV vs. Nombre de masse A (protons + neutrons). L'énergie de liaison par nucléon représente l'énergie à dépenser en moyenne pour arracher un nucléon d'un noyau. C'est un étalon de la stabilité d'un noyau. Cette courbe de l'énergie de liaison en fonction du nombre de nucléons porte le nom du physicien anglais F.W.Aston, qui fut un des pionniers des mesures de masse des noyaux et obtint un prix Nobel en 1922 (Crédit : GIGC Université libre de Bruxelles).

La nucléosynthèse explosive

La réponse habituelle consiste à faire intervenir des additions lentes ou rapides de neutrons. Dans le dernier cas, cela se produirait dans les explosions de supernovae et peut-être même lors de collisions d'étoiles à neutrons. Les noyaux produits sont alors instables et se désintègrent très très rapidement. Il n'en existe plus dans le système solaire depuis bien longtemps par exemple. Si l'étude de la nucléosynthèse des éléments légers s'est déroulée sans trop de problèmes avec ces éléments plus stables et plus légers que le fer, cela n'a pas été le cas pour les noyaux plus lourds.

Il reste nombre d'incertitudes sur les réactions exactes mises en jeu entre les noyaux exotiques qui seraient produits par les supernovae, et surtout, dans les calculs précis des abondances résultantes après désintégration en différents isotopes.

On aimerait bien en savoir plus, notamment parce que les isotopes et les infimes variations de leurs abondances sont des clés pour tracer les processus cosmogénétiques à l'origine du système solaire et de l'évolution des planètes.

Les noyaux stables au delà du fer sont produits par additions rapides de neutron à partir des noyaux en rouges pour occuper la région à droite de ceux-ci puis se désintègrent par radioactivité bêta.

Les mini-explosions stellaires en laboratoire

C'est dans ce but que le John D. Fox Superconducting Linear Accelerator Laboratory de la Florida State University a été équipé, en 2002, de REsonator SOLenoid with Upscale Transmission, en un mot RESOLUT. Grâce à ce dispositif de 16 tonnes, les chercheurs peuvent produire et étudier les noyaux exotiques apparaissant dans les explosions de supernovae. Pour cela, des faisceaux de lithium sont accélérés à 10% de la vitesse de la lumière et c'est en entrant en collision avec une cible fixe que l'on produit les précieux noyaux qui sont à leur tour sélectionnés et focalisés magnétiquement pour être accélérés et entrer en collision avec une nouvelle cible. Les produits de réactions étudiés nous renseignent alors sur les noyaux exotiques eux-mêmes.

Une retombée particulièrement intéressante de ces études est que, pendant une fraction de seconde, des noyaux instables qui doivent être synthétisés par les supernovae de type SN Ia sont obtenus. Or, ces supernovae sont couramment utilisées comme étalon de distance en cosmologie en raison de la relative « stabilité » de leur brillance. Ce sont ces supernovae, en particulier, qui ont permis de découvrir l'expansion accélérée de l'Univers en 1998, mais il a fallu pour cela utiliser des corrections tenant compte principalement de la quantité de nickel 56 produit par l'explosion et se désintégrant en cobalt 56, mais d'autres isotopes radioactifs pourraient peut-être en partie intervenir avec le nickel 56.

RESOLUT pourrait donc nous permettre d'affiner notre connaissance des SN Ia et donc de mesurer un peu plus précisément l'accélération de l'expansion de l'Univers causée par la toujours mystérieuse énergie noire.

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