Cycle carbone-azote-oxygène

Le cycle carbone-azote-oxygène (ou cycle CNO avec les symboles chimiques, parfois appelé cycle de Bethe, ou cycle de Bethe- Weizsäcker) est l'une des deux réactions de fusion nucléaire par lesquelles les étoiles convertissent de l'hydrogène en hélium ; l'autre réaction est la chaîne proton-proton.

Alors que la chaine proton-proton est la principale voie de fusion dans les étoiles de la masse du Soleil ou moindre, les modèles théoriques montrent que le cycle carbone-azote-oxygène est la source principale d'énergie dans les étoiles de masse plus élevée. Il fut proposé par les physiciens Hans Bethe et Carl Friedrich von Weizsäcker en 1938-39.
Ce cycle est aussi probablement la principale source de production d'azote, qui s'équilibre avec la quantité de carbone présente selon la fréquence relative des différentes réactions.

En réalité, il n'y a pas un, mais trois cycles qui sont importants d'un point de vue astrophysique.
Le cycle principal est le suivant :

Le cycle est le résultat de la fusion de quatre noyaux d'hydrogène (H, ou protons) en un seul noyau d'hélium (He, ou particule alpha) et fournit de l'énergie en concordance avec l'équation d'Einstein : E = mc. Dans ces réactions, le carbone sert de catalyseur, il est régénéré à la fin du cycle.

A la dernière étape de ce cycle, là où le dernier proton absorbé par le noyau de N produit le noyau excité de O ; il existe une autre voie : celle de la désexcitation du noyau formé par une émission γ). Elle arrive avec une probabilité de 0,04% (soit 1 fois sur 2500), le bilan n'est alors plus une production d'hélium (He), mais une transformation du carbone (C) en oxygène (O).
Il apparait alors d'autres réactions possibles, des protons avec l'oxygène produit, ainsi bien sûr qu'avec l'oxygène initialement présent :

Il se produit alors un équilibre entre les proportions relatives de l'oxygène (O ; O) et de l'azote (N ; N) selon la fréquence des réactions.

La branche principale du cycle CNO est connue comme CNO-I, la branche mineure comme CNO-II. Il existe également deux autres branches CNO-III et CNO-IV qui sont significatives seulement dans les étoiles de fortes masses.
Elles ont lieu quand la dernière réaction du cycle CNO-II produit de l'oxygène (O) par radioactivité β (et une désexcitation γ), au lieu de l'azote (N) et d'un rayonnement alpha (He) ; à partir du noyau instable de fluor 18.

Bien que le nombre total de noyaux "catalytiques" soit conservé dans le cycle, durant la séquence principale les proportions relatives des noyaux sont changées. Quand le cycle parvient à l'équilibre, le rapport des noyaux C/C est porté à 3,5 et N devient le noyau majoritaire, indépendamment de la composition initiale.
Pendant les dernières étapes de vie d'une étoile, les mouvements de convection apportent les matériaux dans lequel le cycle s'est établi, à partir de l'intérieur à la surface, changeant la composition observée des différentes espèces chimiques.
Certaines géantes rouges observées ont des rapports C/C et C/N inférieurs aux étoiles de la séquence principale, ce qui est considéré comme une preuve que la production d'énergie des étoiles se fait par fusion nucléaire de l'hydrogène.