Il y a quelques mois, Futura expliquait que l’astrophysique nucléaire et l'astronomie neutrino venaient de remporter un succès de plus. Après plusieurs années de patientes observations du flux de neutrinos solaires par l’expérience Borexino, toutes les prédictions concernant les réactions thermonucléaires faisant briller notre Soleil sont maintenant vérifiées comme l'expliquait un article maintenant publié dans Nature.

Cela vous intéressera aussi

[EN VIDÉO] Quels atomes notre Soleil fabrique­-t-­il ? Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous parle de l’astrophysique nucléaire des étoiles et dans cette vidéo en particulier, des réactions de fusions principales qui font briller le Soleil. Elles conduisent à la synthèse de noyaux.

Il y a 2.500 ans, le philosophe grec Anaxagore, représentant de l'école ionienne qui comportait des penseurs et des savants aussi illustres que ThalèsThalès et Anaximandre préfigurant les maîtres de la philosophie naturelle moderne, tel EinsteinEinstein ou Pauli, avançait que « tout a une explication naturelle. La lunelune n'est pas un dieu mais un grand rocher et le soleilsoleil un rocher chaud » et il tenait également pour vrai que « le but de la vie est l'investigation du Soleil, de la Lune et des cieux ».

Au cours des années 1930, deux autres héritiers de la pensée ionienne, complétée par celle de l'école pythagoricienne et de Platon, le physicienphysicien et philosophe Carl Friedrich von Weizsäcker et, après lui, le prix Nobel de physique Hans Bethe, découvrent les principales réactions faisant briller des étoilesétoiles comme le Soleil et celles un peu plus massives que lui. Mais comment réfuter ces théories en accord avec l'épistémologie de Popper ?

Fils de l'ambassadeur d'Allemagne Ernst von Weizsäcker, et frère du président allemand (1984 1994), Richard von Weizsäcker, Carl Friedrich était le jeune protégé de Werner Heisenberg et Niels Bohr lorsqu'il commença des études de physique, mathématique et astronomie en 1929. Passionné toute sa vie par la philosophie, dont il fut professeur de 1957 à 1959 à l'université de Hambourg, il n'en était pas moins un physicien accompli. © Bundesarchiv, B 422 Bild-0174, CC by-sa 3.0
Fils de l'ambassadeur d'Allemagne Ernst von Weizsäcker, et frère du président allemand (1984 1994), Richard von Weizsäcker, Carl Friedrich était le jeune protégé de Werner Heisenberg et Niels Bohr lorsqu'il commença des études de physique, mathématique et astronomie en 1929. Passionné toute sa vie par la philosophie, dont il fut professeur de 1957 à 1959 à l'université de Hambourg, il n'en était pas moins un physicien accompli. © Bundesarchiv, B 422 Bild-0174, CC by-sa 3.0

La partition des neutrinos solaires décryptée en sous-sol

On peut le faire dans le cas du Soleil au moins car les réactions proposées prédisent des émissionsémissions de neutrinos selon des spectresspectres en énergieénergie donnés. Si l'on se rappelle que les neutrinos sont aussi des ondes de matièrematière alors il existe une sorte de musique des sphères que peuvent entendre sur TerreTerre les oreilles de détecteurs comme celles du Borexino, le diminutif italien de Borex (BORon solar neutrinoneutrino EXperiment). Les membres de Borexino viennent de mettre probablement un point final à la vérification des théories de von Weizsäcker et Bethe via un article aujourd'hui publié dans Nature mais dont une première version était déjà disponible sur arXiv depuis plusieurs mois comme Futura l'avait expliqué dans le précédent article ci-dessous.

Si tout indique donc bien que nous avons percé les mystères de la nature des étoiles et de l'origine de leur lumièrelumière, nous en sommes toujours à balbutier pour percer un autre mystère encore plus fondamental de l'UniversUnivers observable, celui de la nature et de la description de l’écume de l’espace-temps, comme l'explique le dernier ouvrage de l'astrophysicien Jean-Pierre LuminetJean-Pierre Luminet.

Le prix Nobel de Physique 1967 Hans Bethe. © Nobel Foundation archive 
Le prix Nobel de Physique 1967 Hans Bethe. © Nobel Foundation archive 

Des neutrinos confirment l'origine de l'énergie des étoiles

Article de Laurent SaccoLaurent Sacco publié le 28/06/2020

L'astrophysiqueastrophysique nucléaire et l'astronomie neutrino viennent de remporter un succès de plus. Après plusieurs années de patientes observations du flux de neutrinos solaires par l'expérience Borexino en Italie, les physiciens ont pu vérifier les dernières prédictions concernant les réactions thermonucléaires faisant briller notre Soleil. Ils mesurent l'effet du cycle CNOcycle CNO qui fait briller non seulement le Soleil mais aussi et surtout d'autres étoiles un peu  plus massives.

Le Soleil fascine Homo sapiens depuis des millénaires au point de lui rendre un culte comme dans l'Égypte ancienne. Mais, depuis quelques siècles, certains des représentants de ce genre Homo ont entrepris de percer rationnellement les secrets du Soleil et, depuis les années 1920-1930, ils ne cessent de remporter des succès. Le dernier en date vient d'être annoncé par les membres de la collaboration Borexino à l'occasion de la XXIX Conférence internationale sur la physiquephysique et l'astrophysique des neutrinos, une conférence entièrement en ligne qui se tient sur le Web du 22 juin au 2 juillet 2020, en raison de la pandémiepandémie de coronaviruscoronavirus

Une astronomie neutrino pour voir au cœur des astres

Rappelons que Borexino est un détecteur de neutrinos, en fonction depuis mai 2007, situé à 1.400 mètres sous la surface de la terre dans le massif du Gran Sasso, près de Rome. Il permet d'étudier le flux de neutrinos solaires mais aussi des géoneutrinos ou ceux produits par d'éventuelles supernovaesupernovae dans la Voie lactéeVoie lactée. Comme Futura l'avait expliqué dans le précédent article ci-dessous, Borexino a permis de valider l'existence de la chaîne proton-protonchaîne proton-proton (pp), et la réaction proton-électron-proton qui produit des noyaux de deutérium, une série de réactions thermonucléaires basées sur la fusionfusion de l'hydrogènehydrogène et à l'origine de plus de 98 % de l'énergie produite par le Soleil en son cœur ainsi que l'explique la vidéo ci-dessous.


Une présentation des réactions de fusion qui font briller le Soleil et les étoiles. © CEA Sciences

Ces réactions génèrent des neutrinos que l'on peut détecter sur Terre, la physique qu'elles impliquent n'est pas mystérieuse car on peut la reproduire sur Terre mais il est toujours bon de tester des théories « évidentes » car la Nature nous a plus d'une fois surprise comme le montre l'histoire de la saga du corps noir, par exemple.

Il existe une autre série de réactions découverte également au cours des années 1930 et que l'on appelle le cycle CNO car il fait intervenir des noyaux de carbonecarbone (C), azoteazote (N) et oxygèneoxygène (O). On suspectait son occurrence au cœur du Soleil mais elle ne devait fournir qu'un peu plus de 1 % de l'énergie solaire. Il n'y a que dans le cas des étoiles un peu plus massives que le Soleil, que le cycle de Bethe-Weizsäcker, comme on l'appelle du nom de ses codécouvreurs, devient la source d'énergie dominante.

Borexino a finalement permis de mettre en évidence l'existence du cycle CNO dans le Soleil, de sorte que cette dernière pièce vient compléter le puzzle concernant l'origine de son énergie et que la théorie de la structure et de l'évolution stellaire en sort renforcée, elle était déjà très solidesolide. C'est un nouveau succès pour l'astronomie des neutrinos que rendent possibles des détecteurs géants comme IceCube, Super-Kamiokande et, bien sûr, Borexino, et qui complète idéalement les observations faites avec les ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques et gravitationnelles pour faire de l'astronomie multimessager.


Olivier Drapier, chercheur au Laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l'on peut utiliser pour étudier les étoiles et l'Univers. © École polytechnique

Des réactions thermonucléaires complexes au cœur du Soleil

Concernant Borexino, rappelons également qu'il s'agit d'un détecteur gigogne avec, à l'extérieur, un réservoir d'eau où 200 photomultiplicateurs enregistrent les signaux induits par le passage des rares rayons cosmiquerayons cosmique ayant assez d'énergie pour traverser plus de 1.000 m de roches, photomultiplicateurs qui jouent le rôle de veto pour ces signaux parasitesparasites. En interne, une sphère d'acieracier, tapissée de 2.200 photomultiplicateurs, enveloppe le détecteur proprement dit, lequel est constitué de centaines de tonnes de pseudocumène (un hydrocarburehydrocarbure proche du benzènebenzène) conçu pour se comporter comme un scintillateur liquideliquide du fait des interactions des neutrinos avec cette moléculemolécule. La lumière produite par les interactions est observée et mesurée par les photomultiplicateurs et ses caractéristiques renseignent sur le flux de neutrinos et l'énergie de ces particules.

Aussi bien dans le cas de la chaîne proton-proton que dans le cas du cycle CNO, il en découle un spectre d'émissionsspectre d'émissions de neutrinos dont la forme est une preuve de l'occurrence de ces réactions thermonucléaires.


Des explications détaillées pour la chaîne de réaction proton-proton qui produit l'essentiel de l'énergie du Soleil. 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 l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © UNSW Physics

Il s'est révélé très difficile de mesurer la partie du spectre signant le cycle CNO car la radioactivitéradioactivité de l'isotopeisotope bismuth 210, bien que faible, est inévitablement présente dans la structure du détecteur.

En bonus, détecter le signal du cycle CNO introduit des contraintes sur la composition et la structure du Soleil qui dépendent en particulier de son contenu en « métauxmétaux », ce qui, dans le jargon des astrophysiciens, indique la présence d'éléments plus lourds que l'hydrogène et l'héliumhélium, les constituants largement dominant du Soleil. La « métallicitémétallicité » influe sur le transfert radiatif dans une étoile comme le Soleil où seule une fraction de ses couches extérieures est dans un état convectif, le reste du transfert de chaleurchaleur étant radiatif. Or le taux des réactions nucléairesréactions nucléaires, en particulier CNO, est très sensible à la température, de sorte que le flux de neutrinos permet de poser des contraintes sur la température au cœur du Soleil.

Contrairement à des études précédentes suggérant que la métallicité est différente entre le cœur et la surface de notre étoile, les données de Borexino indiquent qu'elles sont similaires. Voilà de quoi aussi poser des contraintes sur la naissance du Soleil alors que la formation des planètes devait appauvrir en éléments « métalliques » le flux de matière qui continuait à s'accréter sur le Soleil.


Nous savons que le cycle CNO est bien présent au cœur du Soleil mais c'est dans les étoiles plus massives qu'il devient dominant. Voici des explications détaillées pour ce cycle. 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 l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © UNSW Physics

 

 
Un présentation du cycle CNO, un cycle thermochimique en physique nucléaire qui produit de l'énergie avec des noyaux. Voir les explications dans la vidéo-ci-dessus. © Antonio Ciccolella, CC by-sa 4.0
Un présentation du cycle CNO, un cycle thermochimique en physique nucléaire qui produit de l'énergie avec des noyaux. Voir les explications dans la vidéo-ci-dessus. © Antonio Ciccolella, CC by-sa 4.0

 


Borexino détecte la synthèse du deutérium dans le Soleil

Article de Laurent Sacco publié le 14/02/2012

L'astrophysique nucléaire vient de remporter un succès de plus. Après plusieurs années d'observations patientes du flux de neutrinos solaires par l'expérience Borexino en Italie, les physiciens ont pu vérifier certaines des prédictions concernant les réactions thermonucléaires faisant briller notre Soleil. Ils mesurent en particulier directement l'effet de la synthèse du deutérium.

Depuis au moins le XVIIIe siècle, les physiciens réfléchissaient à la nature de la source d'énergie faisant briller le Soleil et les étoiles, lorsque la solution a enfin été trouvée pendant les années 1930. Il a fallu pour cela attendre la découverte des principes de la théorie quantique et le développement de la physique nucléaire. Entretemps, plusieurs hypothèses avaient réfutées, comme celle de réactions de combustioncombustion chimique (proposée par Kant), ou encore la libération de l'énergie gravitationnelle par contraction. Ce mécanisme proposé par KelvinKelvin et Helmholtz ne permet de rendre compte que de la luminositéluminosité des protoétoilesprotoétoiles.

C'est à Hans Bethe essentiellement que l'on doit la découverte des réactions de fusion thermonucléaire, s'accompagnant de désintégrations radioactives avec émission de neutrinos, à l'origine de l'énergie des étoiles. Bethe est en particulier le découvreur de la chaîne proton-proton faisant briller le Soleil qui, après une cascade de réactions, conduit à la production de noyaux d'hélium 4 à partir de noyaux d'hydrogène.

On pense que si la chaîne proton-proton est la réaction dominante de production d'énergie de notre étoile, s'y ajoute une réaction proton-électron-proton qui produit des noyaux de deutérium. Si le Soleil était plus massif, un cycle de réactions proposées indépendamment par Bethe et Von Weizsäcker tiendrait une place importante : le cycle CNO. Il est probablement présent dans notre étoile mais contribue peu à sa production d'énergie.

Les détails de la chaîne proton-proton (pp) de Bethe libérant des photons (γ). Elle conduit finalement à la synthèse de l'hélium 4 (<sup>4</sup>He) selon 3 canaux : ppI, ppII et ppIII. On voit aussi la réaction proton-électron-proton (pep) conduisant à la synthèse du deutérium (<sup>2</sup>H) et qui s'accompagne de l'émission de neutrinos. Des noyaux d'hélium 3 (<sup>3</sup>He), de lithium (Li) et de béryllium (Be) sont des intermédiaires de réaction. © Dorottya Szam-Wikipédia<br> 
Les détails de la chaîne proton-proton (pp) de Bethe libérant des photons (γ). Elle conduit finalement à la synthèse de l'hélium 4 (4He) selon 3 canaux : ppI, ppII et ppIII. On voit aussi la réaction proton-électron-proton (pep) conduisant à la synthèse du deutérium (2H) et qui s'accompagne de l'émission de neutrinos. Des noyaux d'hélium 3 (3He), de lithium (Li) et de béryllium (Be) sont des intermédiaires de réaction. © Dorottya Szam-Wikipédia
 

Mais comment en être sûr ? On ne peut évidemment pas envoyer un détecteur de particules dans le noyau du Soleil pour vérifier que tout se passe conformément à la théorie.

Cela serait de plus inutile car les neutrinos découverts théoriquement par Pauli au début des années 1930, et dont on ne sait toujours pas s'ils peuvent parfois être transluminiques, sont très pénétrants. Alors que l'opacité solaire impose un temps moyen d'environ 1 million d'années pour que le rayonnement photonique produit par les réactions thermonucléaires dans le noyau du Soleil rejoigne la surface de notre étoile, les neutrinos s'en échappent sans encombre.

On peut enregistrer ces neutrinos sur Terre et, surtout, mesurer leur spectre en énergie. Ce flux peut être prédit en fonction du type de réaction thermonucléaire dans le Soleil et en le comparant aux observations, on peut tester les théories sur la structure solaire.

La lumière des neutrinos solaires en Italie

De fait, depuis des années, les physiciens membres de la collaboration Borexino mesurent ce flux. Borexino est un détecteur rempli d'un liquide scintillateur très pur enterré sous le Gran Sasso en Italie. Il côtoie donc Opera.

De 2007 à 2010, les chercheurs avaient déjà mesuré un flux de neutrinos à basse énergie qui était la signature de la conversion du bérylliumbéryllium 7 en lithiumlithium 7. Ces neutrinos ont une énergie bien définie de 0,86 MeV. Il était déjà difficile de s'isoler suffisamment du bruit de fond des désintégrations radioactives en réduisant celui du détecteur lui-même d'au moins 10 ordres de grandeurordres de grandeur. Mais les physiciens annoncent aujourd'hui dans un article publié sur arxiv avoir fait encore mieux.

En affinant les techniques d'analyse, ils ont eu accès à un flux de neutrinos encore plus faible, celui des neutrinos à 1,44 MeV correspondant à la réaction « pep ». Il s'agit de la combinaison d'un proton et d'un électronélectron qui se transforme en neutronneutron par un processus de radioactivité bêtabêta inverse, suivie d'une capture de ce neutron par un proton pour former un noyau de 2H. En résumé, c'est la mise en évidence de la réaction de synthèse du deutérium dans le Soleil. Elle apparaît conforme aux modèles théoriques, en tenant compte bien évidemment des oscillations des neutrinos solaires.

Les physiciens vont continuer à améliorer la sensibilité du détecteur. D'ici 3 ans, ils espèrent avoir collecté suffisamment de données pour mettre en évidence un cycle CNO dans le Soleil.