La fusion de carbone dans les étoiles massives serait bien plus faible qu'attendu

Publié par Adrien le 19/05/2020 à 09:00
Source: CNRS IN2P3
L'équipe de l'expérience STELLA a publié le 11 mai dans Physical Review Letters de nouvelles mesures directes précises de section efficace de la réaction de fusion carbone + carbone à basse énergie (autour de 2,5 MeV). Ces mesures très attendues montrent un écart de près d'un ordre de grandeur avec les valeurs de référence utilisées par les astrophysiciens dans leurs modèles d'évolution des étoiles.

La combustion (La combustion est une réaction chimique exothermique d'oxydoréduction. Lorsque la combustion est vive, elle se traduit par une flamme voire une explosion.) carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et à mastiquer.) un rôle clé dans la vie (La vie est le nom donné :) des étoiles. Elle forme un passage obligé dans la cascade de réactions de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes...) qui s'y produisent et influence très fortement le devenir paisible ou explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors de leur transformation, de dégager en un temps très court, un grand volume de gaz porté...) de l'astre. Pour calculer des scénarios d'évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le...) plus fiables, les astrophysiciens ont donc besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) de connaître le plus précisément possible le taux de fusion du carbone. Pour cela ils ont développé dans les années 80 des modèles prédictifs, mais ces derniers manquent de précision, notamment lorsque les énergies en jeu sont très basses, de l'ordre de quelques méga électronvolts.

La physique nucléaire au secours des astrophysiciens

Une nouvelle solution est cependant apportée par les physiciens nucléaires qui reproduisent en laboratoire, par des collisions entre un faisceau de particules et une cible, les conditions énergétiques stellaires, et y mesurent directement les taux de fusion du carbone. Dans cette quête, l'équipe de l'expérience STELLA dirigée par Sandrine Courtin professeure à l'université de Strasbourg (L’université de Strasbourg (UDS) est une université française située à Strasbourg en Alsace. Son origine remonte à...) et chercheuse à l'IPHC peut se féliciter d'avoir obtenu avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le monde (Le mot monde peut désigner :) les mesures de 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...) (probabilité d'occurrence) les plus fiables de la réaction de fusion carbone 12 + carbone 12 aux basses énergies. Mesures publiées lundi 11 mai dans Physical Review Letters.


Résultat des mesures de section efficaces (facteur astrophysique S) pour la fusion 12C+12C. Les point (Graphie) en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) figurent les nouvelles mesures à comparer aux valeurs prédites par le modèle astrophysique ligne pointillée bleue.
G. Fruet, S. Courtin et al PRL 2020.

"Nous avons mesuré des sections efficaces de l'ordre de la centaine de picobarns, précise Sandrine Courtin. Cela indique qu'aux plus basses énergies, il pourrait y avoir un ordre de grandeur comparé à ce que donne le modèle CF88 des astrophysiciens. Peut-être même plus d'un ordre de grandeur lorsque l'on extrapole nos mesures à des étoiles de 8 à 10 masses solaires. Par ailleurs, la section efficace pourrait montrer une résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence propre du système. Si le...)." Une centaine de picobarns c'est très peu, et pour parvenir à les mesurer avec certitude, l'équipe de l'IPHC a su mettre toutes les chances de son côté en redoublant d'ingéniosité.

Un véritable concentré d'astuces

Elle a tout d'abord utilisé une méthode de détection en coïncidence (deux signaux distincts sont surveillés pour garantir que la réaction enregistrée est la bonne) pour ne rater aucun des rares événements de fusion au milieu de la forêt (Une forêt ou un massif forestier est une étendue boisée, relativement dense, constituée d'un ou plusieurs peuplements d'arbres et d'espèces associées. Un boisement de faible étendue est dit bois,...) inextricable de signaux captés par les détecteurs. Ensuite, l'expérience a été conduite auprès de l'accélérateur de particules (Les accélérateurs de particules sont des instruments qui utilisent des champs électriques et/ou magnétiques pour amener des particules chargées électriquement à des vitesses...) Andromède à IJCLab. Une machine quasiment taillée sur mesure pour fournir un faisceau de carbone extrêmement intense, et qui multiplie d'autant 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 grande importance donnant...) de produire ces réactions de fusion. Enfin il y a la cible de carbone, véritable concentré d'astuces. Il faut dire que son cahier des charges (Un cahier des charges est un document visant à définir exhaustivement les spécifications de base d'un produit ou d'un service à réaliser. Outre...) relevait du casse-tête.


Montage de l'expérience STELLA dont on aperçoit par transparence au centre le mécanisme qui permet de faire tourner la cible sur elle-même à 1000 tours/minute. Image IPHC.

La cible doit être ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique...) mince, 100 nanomètres d'épaisseur, pour ne pas diffuser le faisceau et permettre son monitorage précis, ce qui est crucial pour la précision des mesures. Mais dans le même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) il lui faut résister à l'intense bombardement d'ions carbone. Une solution est alors de la faire tourner sur elle-même à grande vitesse (On distingue :). Sauf qu'une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs. Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds....) de graphite de cette épaisseur est si fragile que le simple fait de la mouvoir dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...) la casse... "La solution est venue de l'ingéniosité des techniciens du GANIL et de l'IPHC indique Sandrine Courtin. Avec un système digne d'un mécanisme d'horlogerie développé à l'IPHC, ils ont réussi à faire tourner l'infime feuille de graphite de 5cm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la longueur de ce segment....) à 1000 tours minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au...)."

Désormais, l'équipe espère explorer la section efficace de la fusion 12C+12C à des énergies encore plus basses, comparables à celles des étoiles de 8 fois la taille du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique,...). Elle envisage également d'effectuer le même travail pour l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.).

A propos de l'expérience STELLA

Stella a pour but de mieux comprendre le cycle de vie des étoiles massives, essentiel pour extraire des informations sur l'évolution stellaire, la nucléosynthèse (La nucléosynthèse est un ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux atomiques, par fission ou fusion nucléaire.) des éléments chimiques et peut-être sur l'âge de notre Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Pour cela, elle vise à mesurer les réactions nucléaires clés de ce cycle, en particulier celles où peuvent intervenir des résonances moléculaires.

La construction de la station de mesure Stella a bénéficié du financement des initiatives d'excellence (IdEx) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Strasbourg, de l'USIAS et du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).). Les développements techniques du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) et sa construction ont été réalisés à l'IPHC Strasbourg (Mécanique, SMA, Microtechnique), en partenariat avec l'Université de York (GB), l'Université de Surrey (GB) et le GANIL.

La collaboration STELLA

IPHC, Strasbourg: S. Courtin (contact), D. Curien, C. Beck, M. Heine, M. Moukaddam, E. Monpribat, J. Nippert, M. Richer et al.
Université de York (GB): D. Jenkins, L. Morris, G. Vega (Vega est un lanceur de l'Agence spatiale européenne (ESA) réalisé en collaboration avec l'Agence spatiale italienne (ASI), et le Centre national d'études spatiales (CNES) pouvant placer en...) et al.
Université de Surrey (GB): P. Regan, Z. Podolyak, M. Rudigier et al.
GANIL: C. Stodel et al.
IPNO: S. Della Negra, F. Hammache, J. Lesrel, N. de Séréville, P. Adsley et al.
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