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Posté par Adrien le Jeudi 24/05/2018 à 00:00
Des noyaux magiques au coeur des supernovae
Une étude théorique menée par le LPC Caen (1), le GANIL (2), le LUTH (3) et l'IFIN (Bucharest-Magurele, POB-MG6, Romania) montre que le coeur des étoiles massives dans leur phase d'effondrement est dominé par la présence de noyaux magiques très riches en neutrons. La modification des propriétés des structures nucléaires loin de la stabilité, comme il est suggéré par les expériences récentes de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :), pourrait jouer sur cette dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) avec des conséquences observationnelles pour les supernovae à effondrement de coeur (4).


Composition au cours du temps d'effondrement de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) en termes de nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de neutrons de l'espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type » ou « apparence ») est le taxon de base de la systématique. L'espèce est un concept flou dont il existe...) la plus abondante. Les lignes continues montrent un calcul qui néglige les propriétés de magicité des noyaux. Les symboles, pour lesquelles la structure en couche a été considérée, montrent que la composition varie par paliers autours des nombres magiques. (Figure issue de la deuxième publication) © DR

Il est déjà reconnu que les noyaux dits magiques, en particulier les noyaux exotiques avec 50 ou 82 neutrons, jouent un rôle essentiel dans le processus de nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux atomiques, par fission ou fusion nucléaire.) (processus r) (5) à l'origine de la plupart des éléments lourds de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). L'étude théorique menée dans le cadre du Master-Projet MAC de l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de...) et soutenu par le programme COST NewCompstar de l'Union Européenne, montre que le caractère magique de certains noyaux atomiques, qui leur confère une stabilité particulière, est aussi un facteur clé qui règle la composition de la matière dans le phénomène de supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation...) à effondrement de coeur.

Dans la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) finale de leur évolution, les étoiles avec une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse...) supérieure à environ 8 fois celle de notre Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la...) et ayant entièrement consommé leur combustible (Un combustible est une matière qui, en présence d'oxygène et d'énergie, peut se combiner à l'oxygène (qui sert de comburant) dans une...) thermonucléaire, s'effondrent sur elles mêmes par effet de leur propre gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). La composition du coeur de l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.) pendant ce processus est très importante, car c'est la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules....) de capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet céleste aboutit à...) d'électrons (6) sur les noyaux présents dans la matière qui détermine la production des neutrinos qui, à leur tour, gouvernent la dynamique d'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la...) de l'étoile en supernova.

L'étude des chercheuses de l'IN2P3 et de leurs étudiants montre que l'augmentation du nombre de nucléons des noyaux pendant l'effondrement ne se fait pas de façon continue, mais progresse par paliers gouvernés par les nombres magiques des neutrons. Ces discontinuités sont d'autant plus importantes que la propriété de "magicité" est vérifiée pour les noyaux en question. Or, cette propriété bien comprise pour les noyaux stables, est encore mal connue pour les noyaux extrêmement riches en neutrons qui sont présents dans les supernovae.

La "magicité" d'un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est...) correspond à une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de liaison accrue par rapport aux noyaux voisins (en termes de nombres de nucléons). Elle se réflète donc directement sur le comportement de la masse du noyau. En utilisant plusieurs modèles de masse nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) qui estiment différemment l'accroissement de l'énergie de liaison, l'étude montre que le taux de capture des électrons par les noyaux peut varier de 30%, voire plus. Une fois inclus de façon cohérente dans la dynamique macroscopique de la supernova, on peut raisonnablement s'attendre à ce que des effets de cette importance, aient un impact notable sur les quantités issues de cette dynamique, notamment sur l'émission des neutrinos.


Distribution des espèces nucléaires en termes de nombre de protons Z et nombre de neutrons N à un temps choisi de la dynamique d'effondrement. Les lignes de niveaux en couleur dénotent les abondances. Le calcul qui ne prend pas en compte les effets de couches montre une distribution gaussienne centrée sur N=56, Z=36. La prise en compte de la "magicité" donne lieu à une distribution bimodale centrée sur les nombres magiques neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau de...) N=50 et N=82. (Figure issue de la deuxième publication) © DR

La question de la persistance ( Persistance (statistiques) Persistance (informatique) en peinture : La Persistance de la mémoire (1931) en médecine : la persistance du...) de la magicité des noyaux atomiques loin de la stabilité est un des axes majeurs de la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) nucléaire, et est à l'origine de nombreux programmes expérimentaux ambitieux auprès d'installations internationales et nationales. Les nouvelles installations telles que DESIR et S3-LEB au GANIL font partie de cet effort.

Références:
- 1) Adriana (Adriana est un genre de plantes de la famille des Euphorbiaceae. Il est endémique en Australie.) R. Raduta, Francesca Gulminelli, Micaela Oertel, [i]Modification of magicity toward the dripline and its impact on electron-capture rates for stellar core collapse
, Phys.Rev. C93 (2016) 025803
- 2) Guilherme Grams, Simon Giraud, Anthea F. Fantina, Francesca Gulminelli, Distribution of nuclei in equilibrium stellar matter from the free-energy density in a Wigner-Seitz cell, Phys.Rev. C97 (2018) 035807

Notes:
- 1) Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (CNRS/Université Caen Normandie/Ensicaen) ;
- 2) Grand accélérateur national d'ions lourds (CNRS/CEA) ;
- 3) Laboratoire Univers et théories (CNRS/INSU/Observatoire de Paris/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle...) Diderot ;
- 4) Phénomène explosive issu de l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive (Le mot massif peut être employé comme :) ;
- 5) Processus de capture rapide de neutrons à partir d'éléments autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans...), probablement ayant lieu lors des explosions de supernovae et de coalescence d'étoiles à neutrons ;
- 6) Réaction de transformation d'un proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.) en neutron avec émission de neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) à l'intérieur d'un noyau atomique ; la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de...) de ce processus est quantifiée par sa section efficace, qui dépend de la structure interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) du noyau.[/i]

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Source: CNRS-IN2P3