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Représentation d’un artiste d’une fusion d’étoiles à neutrons. Ces fusions produisent des éléments lourds comme l’or et le platine en abondance. Crédit : Université d’État de Sonoma/A. Simonnet
La nucléosynthèse est la création de nouveaux noyaux atomiques, les centres d’atomes constitués de protons et de neutrons. La nucléosynthèse s’est d’abord produite quelques minutes après la Big Bang. A cette époque, un quark-gluon plasma, une soupe de particules appelées quarks et gluons, condensées en protons et neutrons. Après que l’univers se soit légèrement refroidi, les neutrons ont fusionné avec des protons pour former des noyaux de deutérium, un isotope de l’hydrogène. Les noyaux de deutérium se sont ensuite combinés pour produire de l’hélium. D’autres réactions entre les protons, les neutrons et différents isotopes de l’hélium ont produit du lithium. L’hydrogène et l’hélium produits au cours de cette phase de l’univers ont finalement créé les premières étoiles massives de l’univers.
Depuis lors, les réactions nucléaires dans la vie et la mort des étoiles ont formé la plupart des autres noyaux de l’univers. Les étoiles peuvent créer des noyaux par deux processus : soit en combinant deux noyaux plus petits (appelés fusion), soit en brisant un noyau plus gros en plusieurs noyaux (appelés fission). Les deux manières aboutissent à de nouveaux atomes.
Dans le passé, ces processus produisaient également les éléments du tableau périodique que nous connaissons aujourd’hui. Les étoiles de différents types produisent des noyaux de différents éléments, conduisant au fil du temps à la gamme des éléments naturels. Les premières étoiles de l’univers étaient massives, souvent plus de 10 fois la taille de notre Soleil. Elles avaient également des vies beaucoup plus courtes que les étoiles qui existaient plus récemment. Pendant qu’ils vivaient, ils brûlaient de l’hydrogène et produisaient les éléments jusqu’au fer dans le tableau périodique. À leur mort, ils ont éjecté des noyaux de ces éléments dans un type d’explosion appelé supernova à effondrement du cœur. Les supernovae peuvent laisser derrière elles des étoiles à neutrons. Lorsque les étoiles à neutrons fusionnent, elles produisent de nouveaux noyaux, dont des éléments plus lourds que le fer. D’autres étoiles deviennent des naines blanches en mourant. Ces naines blanches peuvent également plus tard fusionner et synthétiser des noyaux d’éléments.
Faits sur la nucléosynthèse
- Les scientifiques pensent que les éléments naturels les plus lourds, y compris l’uranium, sont produits dans des environnements violents riches en neutrons tels que la fusion de deux étoiles à neutrons ou supernovae. Dans ces conditions, les neutrons gagnent des noyaux plus rapidement qu’ils ne peuvent se désintégrer.
- Nous sommes principalement constitués de matière créée par nucléosynthèse dans des étoiles qui sont mortes depuis, ce qui a conduit à la célèbre déclaration du cosmologiste Carl Sagan selon laquelle nous sommes faits de « trucs d’étoiles ».
Bureau des sciences du DOE : Contributions à la nucléosynthèse
Le Bureau de physique nucléaire du Bureau des sciences du DOE soutient la recherche en astrophysique nucléaire, la physique nécessaire pour comprendre les réactions qui produisent les éléments. Deux centres d’excellence universitaires du DOE, le Cyclotron Institute de la Texas A&M University et le Triangle Universities Nuclear Laboratory, se spécialisent dans l’étude de l’astrophysique nucléaire. Le DOE finance également la théorie et la modélisation du Big Bang, des étoiles, des supernovae et étoile à neutrons fusions, toutes sources d’éléments.
L’installation utilisateur du système d’accélérateur linéaire en tandem Argonne (ATLAS) du DOE Office of Science abrite le spectromètre le plus puissant au monde pour la recherche sur la structure nucléaire. À l’avenir, l’Office of Nuclear Physics soutient désormais la construction de l’installation pour les faisceaux d’isotopes rares à la Michigan State University. Cet accélérateur produira des noyaux riches en neutrons de courte durée et inédits qui joueront un rôle dans la production des éléments les plus lourds.
