Les éclairs produisent des réactions nucléaires. Ici, des éclairs produits par un orage. © mdesigner125, Fotolia

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Les éclairs produisent des réactions nucléaires

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On savait déjà que des éclairs pouvaient parfois produire des photons gamma et de l'antimatière. Or, selon des physiciens japonais, ces photons gamma peuvent produire, en plus, des réactions nucléaires.

Depuis longtemps, les géophysiciens externes (c'est-à-dire ceux qui s'occupent de la physique de l'atmosphère ou de la magnétosphère) savent que des rayons gamma peuvent se produire à l'occasion d'éclairs ; ceux-ci sont connus en anglais sous le nom de Terrestrial Gamma-Ray Flash, ou TGF, ce qui signifie « flashs de rayons gamma terrestres ». Nous savons donc que les nuages peuvent parfois se comporter comme des accélérateurs de particules.

Pour comprendre comment cela se produit, il faut savoir que les champs électriques situés dans les nuages peuvent être si intenses qu'ils provoquent l'accélération d'électrons à des vitesses proches de celle de la lumière, en direction du haut de l'atmosphère. Ces électrons ionisent les atomes et molécules qu'ils heurtent ; ils entraînent avec eux les électrons produits, qui sont accélérés à leur tour. Le résultat final est une production assez importante d'électrons par avalanche.

Une vidéo sur les TGF détectés par le satellite Fermi. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur la roue dentée à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Nasa Goddard

Des réactions photonucléaires dans les nuages avec des éclairs

Certains de ces électrons passent suffisamment près des noyaux des atomes pour qu'une émission de rayons gamma se produise, selon le processus de Bremsstrahlung, ou « rayonnement de freinage ». Certains photons gamma sont d'ailleurs assez énergétiques pour qu'il y ait production de paires de particules et d'antiparticules, des électrons et des positrons.

Un groupe de physiciens japonais a découvert un nouveau phénomène associé aux TGF en s'aidant d'une campagne de financement participatif. Comme ils l'expliquent dans un article publié dans le journal Nature, ces flashs gamma généreraient aussi des réactions nucléaires, en plus de produire de l'antimatière. Naîtraient ainsi des isotopes radioactifs de certains noyaux, en l'occurrence de l'azote 13 (13N) et même de l'oxygène 15 (15O).

Schéma des différentes réactions nucléaires induites par les électrons accélérés dans les orages. © Teruaki Enoto, université de Kyoto

D'étonnants flashs gamma

Cette affirmation surprenante est basée sur les mesures que le physicien Teruaki Enoto, de l'université de Kyoto, au Japon, a réalisées avec ses collègues au moyen de quatre détecteurs de rayons gamma. Le 6 février 2017, ces instruments ont observé des flashs gamma étonnants à l'occasion d'un orage.

Au début, il ne s'agissait que de bouffées de quelques centaines de millisecondes après chaque éclair. Il est possible de rendre compte de ces bouffées en supposant que des photons gamma créés au cours de l'orage aient heurté des neutrons dans des noyaux (comme ceux d'azote 14, 14N) au point de les éjecter. Nous savons que ce phénomène se produit très probablement, car, au cours d'autres expériences, des flux de neutrons arrivant au sol en coïncidence avec des flashs gamma ont été observés dans des nuages d'orages. Certains de ces neutrons auraient été capturés ensuite par d'autres noyaux, les conduisant à des états excités similaires à ceux produits par des captures d'électrons dans des atomes, car il existe aussi des couches de nucléons dans les noyaux. En se désexcitant, ces noyaux ont alors émis des photons gamma, un peu comme une population de noyaux radioactifs se désintégrant.

Toutefois, un second type de signal a été observé ; il suivait les flashs gamma précédents. Son spectre en énergie montre clairement un pic à 0,51 MeV, ce qui, d'ordinaire, s'interprète comme une production de rayons gamma par des annihilations électron-positron. Selon les chercheurs, il n'y aurait pas d'autre façon d'interpréter ces résultats qu'en faisant intervenir encore une autre réaction nucléaire dans laquelle, suite à l'éjection d'un neutron d'un noyau, celui-ci subit rapidement une désintégration bêta. On aurait ainsi, notamment, un noyau d'azote 13 qui se désintégrerait en noyau de carbone 13 en émettant un positron selon un mode dont la demi-vie est de 10 minutes environ. Ainsi, non seulement des orages sont capables de produire de l'antimatière, mais ils seraient capables aussi de produire des réactions photonucléaires.

  • Les champs électriques présents dans les nuages n'ont rien à envier à ceux des premiers accélérateurs de particules. En effet, comme ces derniers, ils peuvent produire des électrons très rapides générant des photons gamma en passant près des noyaux selon un processus appelé « rayonnement de freinage ».
  • Ces photons gamma peuvent également produire des réactions nucléaires, comme l'ont découvert les physiciens pionniers de la physique nucléaire. De telles réactions se produiraient dans les nuages à l'occasion de certains orages, selon des chercheurs japonais.
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