Nucléosynthèse. La genèse des éléments.
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DEPAES / Université Ouverte / Paris Diderot / 2009 – 2010 Cycle “Structuration et évolution dans l’univers” Nucléosynthèse. La genèse des éléments. Etienne Parizot Université Paris Diderot / APC Résumé des épisodes précédents... Épisode 1 • Le cosmos relève de la Physique • L’univers a une histoire ! “La Lune est terreuse” (Galilée), Newton et la gravitation, spectroscopie et éléments chimiques... Il y a non seulement des événements, des phénomènes, une histoire dans le cosmos, mais aussi une histoire du cosmos → le cadre espace-temps-matière des phénomènes physiques est lui-même un “méta-phénomène”, décrit au sein d’un cadre théorique qui le transcende • La matière a une histoire Le tabou de la transmutation est levé par la découverte du monde sub-atomique... atomes / énergie chimique vs. • noyaux / énergie nucléaire... Le passé de l’univers est chaud et dense → énergies nucléaires Quelques secondes après t = 0, les noyaux sont dissociés → les nucléons sont libres : point de départ de la nucléosynthèse... Épisode 2 nucléosynthèse primordiale • Équilibre proton-neutron cesse quand la température vaut ~0.085 MeV, à t = 1,5 seconde (ensuite, les neutrons décroissent sur une échelle de temps de ~10 minutes...) p e- n • νe Quand la température devient suffisamment faible, le deutérium n’est plus détruit, et la nucléosynthèse commence (par fusion de nucléons) + + = = + + Arithmétique nucléaire... • Mais la nucléosynthèse primordiale avorte très vite : expansion, refroidissement (température “sub-nucléaire”), et instabilité des noyaux à 5 nucléons et des noyaux à 8 nucléons ! 1H • 2H 3He 4He 7Li Les abondances dépendent d’un seul paramètre libre (tout le reste se calcule à partir des lois physiques fondamentales) : le rapport du nombre de baryons sur le nombre de photons (lié au léger excès de matière par rapport à l’antimatière) • La mesure des abondances cosmiques des différents éléments permet de “mesurer” ce rapport : ~5 10-10. Il sera déduit un jour des lois fondamentales par la théorie de la baryogenèse... Nucléosynthèse primordiale The predicted abundance of elements heavier than hydrogen, as a function of the density of baryons in the universe (expressed in terms of the fraction of critical density in baryons, Omega_B). Nucléosynthèse primordiale Nécessité de matière non baryonique ! BBN D/H = (3.40 ± 0.25)×10-5 η = (5.1 ± 0.5)×10-10 Ωb = 3.67 107 η h-2 Ωb = 0.038 ± 0.005 ■ NB: à partir de l’étude du CMB (WMAP) : Ωb = 0.044 ± 0.004 Nombre de familles de neutrinos : Nν = 3 Séance n°3 La nucléosynthèse post-primordiale Abondances solaires Numerical data from: Katharina Lodders (2003) The Astrophysical Journal 591: 1220–1247 Et l’univers inventa les étoiles ! • Pendant des centaines de millions d’années, l’univers est un gaz d’hydrogène et d’hélium, où il n’y a pas la moindre activité chimique ou nucléaire. Mais... • L’univers prépare un coup magistral ! • Lentement, mais sûrement, l’attraction de la matière pour la matière (gravitation) amplifie les infimes inhomogénéités de densité de l’univers primordial. Peu à peu, le gaz se condense, et... des galaxies finissent par se former ! • Dans ces proto-galaxies, les surdensités continuent à croître à petite échelle... La matière s’accumule, forme des cœurs denses et chauds, qui attirent davantage de matière, augmentant la pression et la température, et... Et l’univers inventa les étoiles ! Partie V La nucléosynthèse stellaire Et l’univers inventa les étoiles ! • Au cœur d’une étoile, la matière est dense et chaude • Des réactions nucléaires peuvent avoir lieu ! • Étoiles = réacteur nucléaire à confinement gravitationnel ! • Stabilité auto-assurée ! Si les réactions s’emballent, alors la température augmente, alors la pression s’accroît, alors l’étoile gonfle, alors la température décroît, alors les réactions se calment ! ...et inversement ! Et l’univers inventa les étoiles ! • Au cœur d’une étoile, la matière est dense et chaude • Des réactions nucléaires peuvent avoir lieu ! • La fusion de l’hydrogène en hélium est la source de l’énergie du Soleil • Mais le même problème se présente : comment aller au-delà de l’hélium ? Et l’univers inventa les étoiles ! • Au cœur d’une étoile, la matière est dense et chaude... pour longtemps ! Des interactions peu problables finiront pas se produire ! • • 4 + 4 = 8, très instable, mais 4 x 3 = 12 : EURÊKA ! Dans un environnement très dense, avec du temps de vant soi, la durée de vie très faible du 8Be n’empêche pas l’interaction d’un troisième noyau d’hélium NB: Fred Hoyle est un génie ! C’est reparti ! • Une fois le carbone 12 atteint, l’arithmétique nucléaire peut se poursuivre sans problème, et la nucléosynthèse reprend sa marche au cœur des étoiles... • exemple : “processus alpha” : 12 + 4 = 16, 16 + 4 = 20... • Des éléments de plus en plus lourds sont ainsi synthétisés, à des températures toujours plus hautes (pour vaincre la “barrière coulombienne”) Abondances solaires Numerical data from: Katharina Lodders (2003) The Astrophysical Journal 591: 1220–1247 Structure “en oignon” La limite du fer • Nouvel arrêt de la nucléosynthèse, toujours pour des raisons nucléaires ! Énergie de liaison des nucléons dans les noyaux • Au-delà du fer (symbole Fe), la fusion fait perdre de l’énergie, et non en gagner ! La synthèse des noyaux au-delà du fer ne peut donc pas se faire spontanément, dans un processus à l’équilibre, comme au cœur des étoiles ! Partie VI La nucléosynthèse explosive Le problème • Pour aller au-delà du fer, il faut un fort excès d’énergie, hors équilibre, dans un environnement riche en noyaux lourds, dans lequel des réactions nucléaires sont susceptibles de se produire... La solution : supernova ! • À la fin de leur vie, les étoiles les plus massives donnent lieu à des explosions violentes et spectaculaires, libérant une énorme quantité d’énergie, en présence de noyaux lourds produits tout au long de la vie de l’étoile... • Le lieu idéal pour une “nucléosynthèse à perte” ! Effondrement et explosion • Rappel : une étoile est un réacteur à fusion nucléaire à confinement gravitationnel • La gravité ne peut cesse de s’exercer, mais le confinement gravitationnel du feu nucléaire prend fin quand... le carburant nucléaire est épuisé ! • • Effondrement du cœur et de l’ensemble de l’étoile Combinaison des protons avec les électrons → neutrons ep • → production de neutrinos n νe → densité de la matière nucléaire ! → pression gigantesque Opposition à l’effondrement → rebond → explosion + émission de quantités gigantesques de neutrinos ! Supernova de Tycho Brahé, 1572 Libre de Tycho Brahé: De Nova et Nullius Aevi Memoria Prius Visa Stella Début novembre 1572, dans la constellation de Cassiopée Visible même en plein jour ! (Sur la nouvelle étoile jamais vue auparavant) Remise en cause de l’immuabilité du cosmos Supernova de type Ia D = 2.3 kpc v(t0) ~ 9000 km/s Supernova de Tycho, 1572 Bleu: rayons X, 4-6 keV (Chandra) Vert: rayons X, 0.3-1.4 keV (Chandra) Jaune: optique (Calar Alto) Rouge: infrarouge (Spitzer ST) Supernova de Kepler, 1604 Illustration de Kepler dans son livre “De Stella Nova in Pede Serpentarii” “Sur l’étoile nouvelle dans le pied du Serpentaire” (Ophiuchus) Supernova de type Ia D = 6 kpc mag = -2.5 > Jupiter 9 octobre 1604 : vue dans le Nord de l’Italie 17 octobre 1604 : début des observation par Johannes Kepler Dernière supernova Galactique vue depuis la Terre ! Supernova de Kepler, 1604 Bleu: rayons X, 4-6 keV (Chandra) Vert: rayons X, 0.3-1.4 keV (Chandra) Jaune: optique (Hubble ST) Rouge: infrarouge (Spitzer ST) Abondances solaires Numerical data from: Katharina Lodders (2003) The Astrophysical Journal 591: 1220–1247 gaz primordial Big Bang (90% H, 10% He) Enrichissement progressif en éléments lourds gaz et poussières éjection de gaz enrichi (vents, SNe...) galaxie Condensation stars → Terre, roches, plantes, êtres humains... Évolution chimique Aujourd’hui, ~2% d’éléments non primordiaux Numerical data from: Katharina Lodders (2003) The Astrophysical Journal 591: 1220–1247 Évolution chimique ??? Aujourd’hui, ~2% d’éléments non primordiaux Numerical data from: Katharina Lodders (2003) The Astrophysical Journal 591: 1220–1247 Le mystère des éléments légers 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16… 238 H D 3He 4He 6Li 7Li 9Be 10B 11B Big Bang LiBeB 4+1=5 4+4=8 ??? H, He + 10% du 7Li actuel 12C 13C 14N 15N 16O… 238U Stars, SNe... 3 × 4 = 12 réactions 3 α C, N, O... Fe ... jusqu’à U (SNe...) Partie VII La nucléosynthèse spallative Le mystère des éléments légers 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16… 238 H D 3He 4He 6Li 7Li 9Be 10B 11B Big Bang LiBeB 4+1=5 4+4=8 ??? H, He + 10% du 7Li actuel 12C 13C 14N 15N 16O… 238U Stars, SNe... 3 × 4 = 12 réactions 3 α C, N, O... Fe ... jusqu’à U (SNe...) Arithmétique soustractive ! • Puisqu’on ne peut additionner les nucléons pour passer le cap de 5 et de 8... • Puisque les étoiles ont su passer à 12 et au-delà... • Soustrayons à 12, pour obtenir les éléments de 6 à 11 ! Processus de spallation • Processus bien connu des physiciens nucléaires : un noyau est brisé par une particule énergétique (par exemple, un proton ou un noyau d’hélium) • 12 - 1 = 11 ; 12 - 3 = 9 ; 14 - 3 = 7 + 3 + 1 ; etc. Hubert Reeves et al. (1970-71) Spallation cosmique • • Quel sont les agents de spallation ? Les rayons cosmiques !!! NB: Hubert Reeves et al. (1970-71) Spallation inverse Spallation directe NB: nécessite déjà l’existence de noyaux lourds → nucléosynthèse différée, lente et de plus en plus efficace... Subtilité inattendue • Évolution linéaire de l’abondance de Be et et B log(Be/H), log(B/H) -9 B -10 -11 Be -12 -13 -4 -3 -2 [Fe/H] • La spallation inverse domine... -1 0 relative abondance rayons cosmiques système solaire Z (charge number) Résumé Les briques élémentaires de la nucléosynthèse sont les nucléons, mais comment apparaissent-ils ? Rien ne peut venir à être qui ne soit déjà ! Quel niveau de réalité encore plus fondamental nous échappe, et nous permettra de comprendre la baryogenèse en respectant l’avertissement de Parménide ? “Il est, et ne peut pas ne pas être”... Mais quoi ?
