Mécanismes de fabrication des noyaux atomiques
Les noyaux des atomes qui constituent notre quotidien se sont formés pour la plupart dans la fournaise des étoiles, et pour le reste lors de violents cataclysmes stellaires.
Les étoiles se forment à partir d’un nuage de matière composé principalement d’hydrogène, mais aussi d’hélium. Il est issu de la nucléosynthèse primordiale qui s’est produite au début de l’univers. Ce nuage se contracte sous l’effet de l’attraction due à la gravitation. L’effondrement gravitationnel du nuage (appelé proto-solaire) échauffe le milieu jusqu’à ce que les premières réactions de fusion puissent « s’allumer ».
Synthèse des noyaux légers
Dans le Soleil, l’hélium est produit (en simplifiant) par la fusion de 4 noyaux d’hydrogène. C’est l’énergie libérée par ces réactions de fusion qui fournit principalement sa chaleur et sa lumière. Les étoiles synthétisent également d’autres éléments. Par des réactions de fusion de noyaux légers, il se forme des éléments de plus en plus lourds jusqu’au fer. Ensuite la fusion s’arrête, car la formation de noyaux plus lourds nécessiterait des apports externes d’énergie.
© IN2P3
La première de ces réactions est celle de la fusion de deux protons qui conduit à formation d’un noyau de deutérium composé d’un proton et d’un neutron. Cette réaction – appelée réaction pp1 – est la principale, celle qui produit le plus d’énergie dans le soleil. Cette première fusion (c.f. page précédente) est suivie d’autres qui conduisent à la formation d’hélium. Cet hélium s’ajoute à ce qui reste de l’hélium de la nucléosynthèse primordiale. Puis à partir de l’hélium, d’autres noyaux légers sont formés, dont notamment le carbone et l’oxygène.
Ainsi fonctionne le soleil depuis 4,5 milliards d’années et pour encore à peu près le même temps. Ces réactions de fusion libèrent de l’énergie, dont une partie rayonne sous forme de lumière et de chaleur. La pression de ces rayonnements empêche l’étoile de se contracter davantage.
Du fer à l’uranium
Le cœur de très grosses étoiles est riche en fer, le noyau le plus stable dans la nature. Comment expliquer la présence dans l’univers de noyaux plus lourds, moins stables, et en particulier du thorium et de l’uranium radioactifs ? On pense que lors de l’explosion de certaines supernovae un flux de neutrons extraordinairement intense est produit. Bombardé par un tel flux, les noyaux de fer grossissent par une suite de captures successives très rapprochées. Ces noyaux suivraient sur la carte des noyaux des chemins comme celui indiqué. Ensuite, une cascade de désintégrations bêta ramèneraient ces noyaux instables vers la ligne de stabilité, conduisant aux éléments lourds que nous connaissons.
© IN2P3 (Source conférences NEPAL)
Lorsque le combustible hydrogène est épuisé, plus rien ne s’oppose à un nouvel effondrement gravitationnel. La température va s’élever encore plus jusqu’à ce que s’allume la réaction suivante et ainsi de suite jusqu’à la production de fer (Fer-56), au voisinage immédiat du nickel (Nickel-62), le nucléide qui possède la plus grande stabilité. Les réactions de fusion ultimes qui aboutissent au fer ne peuvent se produire qu’au cœur d’étoiles beaucoup plus grosses que le soleil.
Au-delà du fer, la nature a recours à un autre mécanisme pour synthétiser les noyaux les plus lourds – or, argent, plomb, uranium – que nous connaissons. Ce mécanisme survient lors de la dernière étape de la vie de très grosses étoiles, qui se termine par une explosion. L’étoile devient très brillante : une supernova.
La dispersion de la matière stellaire
La nébuleuse du Crabe est le reste d’une explosion de supernova qui s’est produite il y 6000 ans dans notre galaxie et qui a été observée sur Terre en 1054 par des astronomes chinois et des indiens Navajos. Le phénomène de supernova est dû à l’explosion d’une grosse étoile en fin de vie. C’est lors de telles explosions que sont produits, par une succession rapides de captures de neutrons, des éléments plus lourds que le fer comme le platine, l’or ou l’uranium. Ces éléments sont dispersés par l’explosion dans l’espace galactique.
© PALOMAR
L’explosion ensemence l’espace galactique de poussières d’étoiles, contenant des noyaux lourds. Beaucoup plus tard, ces poussières se condenseront avec le gaz interstellaire pour former de nouveaux systèmes solaires et en particulier des planètes solides, comme notre bonne vieille Terre.
LE CEA-Irfu a réalisé une vidéo expliquant la carte des noyaux et la vallée de stabilité. Cette vidéo inclut une séquence “Le creuset stellaire” qui décrit la nucléosynthèse des noyaux moyens et lourds :Accès à la vidéo “Le creuset stellaire”
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