Nucléosynthèse. La genèse des éléments.

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
“Structuration et évolution dans l’univers”
•
•
•
•
Le modèle standard de la cosmologie (par Jean-Christophe Hamilton)
•
•
Niveau du cours ?
Évolution du système solaire (par Marcello Fulchignoni)
Évolution des étoiles (par Sylvain Chaty)
Évolution de la matière : nucléosynthèse étoiles (par Etienne Parizot)
Compromis à trouver entre le détail et la vision d’ensemble
calculer / démontrer
vs.
décrire / justifier
•
But du cours : faire saisir les enjeux, les principes à l’œuvre et les
grandes lignes des phénomènes entrant en jeu dans la nucléosynthèse
•
Quel compromis ?
→ à trouver ensemble, “dynamiquement”...
Stratégie envisagée
•
Donner d’abord un aperçu général de la nucléosynthèse, et revenir
ensuite plus en détail sur les points que vous souhaiterez approfondir
1. Donner le contexte (physique,
astrophysique et “philosophique”) de
l’aventure de la nucléosynthèse
→ séance 1
2. Brosser un panorama général de la
nucléosynthèse à travers ses
différents épisodes
→ séance 1 & 2
3. Donner quelques éléments quantitatifs
simples, pour faire “toucher du doigt”
la pertinence des idées avancées
→ séance 2 & 3
Séance 1 : aperçu
• Histoire, changement, matière
• De la chimie à l’alchimie
• Univers et évolution
• La nucléosynthèse primordiale
• La nucléosynthèse stellaire
• La nucléosynthèse explosive
• La nucléosynthèse spallative
Partie I
Une histoire de l’univers ?
Un cosmos immuable...
•
Terre / monde sublunaire : désordre, corruptibilité
mouvement, agitation, naissance, développement, mort...
événements irréversibles
temps linéaire
•
Ciel / monde supralunaire : ordonné, éternel, immuable
animé seulement de mouvements réguliers (phases de la Lune, même le
mouvement des « planètes »...)
temps cyclique
•
Le cosmos échappe à la linéarité du temps : c’est même lui qui,
par sa régularité, permet de repérer le temps linéaire de la
Physique sublunaire
Le cosmos échappe à la Physique (non pas naturel, mais surnaturel) et n’est
pas le siège d’« événements »
Un cosmos immuable...
•
NB: même avec le recul, une telle idée n’est pas si naïve qu’il y paraît !
L’immuabilité du ciel est en fait nécessaire à l’établissement d’un cadre
temporel opérationnel : mesure du temps, référence inattaquable...
Comment jauger le changement, comment étudier quantitativement les
mouvements, si le chronomètre n’est pas régulier ?
•
La régularité du ciel a fourni la référence “en dernier ressort” pour
toute mesure du temps, jusqu’à une date très récente !
Le temps atomique est très récent !!!
•
Et en fait... les pulsars sont plus réguliers que les horloges atomiques !
et pourtant...
•
Événements célestes !
Observation de novæ, supernovæ...
Quelque chose se passe dans le cosmos !
Il existe des événements, des phénomène cosmiques !
“Étoile invitée”
indiquée par
les chinois en
393 (A.D.)
et pourtant...
•
Événements célestes !
Observation de novæ, supernovæ...
Quelque chose se passe dans le cosmos !
Il existe des événements, des phénomènes cosmiques !
SN vue par les astronomes
chinois en 393 A.D.
SNR vu par ROSAT (X) en 1996
[G347.0-0.5 ou RXJ1713.7-3946]
Nébuleuse du Crabe
Supernova en 1054 !
Événements dans le ciel
•
Supernovæ, mouvements d’étoiles (pas tout à fait fixes)...
Peut-être un cycle plus long ? (cf. précession des équinoxes)
•
« La Lune est Terreuse ! » (Galilée)
→ le Ciel est concerné par la Physique (au moins le ciel proche...)
•
Le Soleil contient des éléments chimiques terrestres !
Spectroscopie → début de l’astrophysique...
Vers la “physique des astres”...
• 1835: Auguste Comte range la composition
du Soleil parmi les choses à jamais hors de
portée de la connaissance
• 1865: Bunsen et Kirchhoff analysent la lumière du
Soleil et déterminent sa composition chimique !
Découverte de l’hélium : par spectroscopie
solaire, pendant l’éclipse du 18 août 1868
(identifié sur Terre en 1895, par Ramsay)
→ Les photons deviennent des
messagers des processus physiques !
→ Informations sur les masses,
températures, composition, vitesses, etc.
Événements dans le ciel
•
Supernovæ, mouvement d’étoiles (pas tout à fait fixes)...
Peut-être un cycle plus long ? (cf. précession des équinoxes)
•
« La Lune est Terreuse ! » (Galilée)
→ le Ciel est concerné par la Physique (au moins le ciel proche...)
•
•
Le Soleil contient des éléments chimiques terriens !
Spectroscopie → début de l’astrophysique...
L’univers physique s’étend pour englober le cosmos
Attention : il y a une histoire dans le cosmos, mais ça ne veut
pas dire qu’il y a une histoire du cosmos...
La révolution cosmologique
•
Relativité Générale (Einstein, 1915)
Le cadre géométrique du monde physique est dynamique, dépend du
contenu matériel de l’univers et réagit à ses mouvements
•
Il existe d’autres galaxies... et elles s’éloignent les unes des
autres ! (Hubble, 1923)
La matière est sujette à des mouvements globaux, significatifs à l’échelle de
l’univers
•
→ L’univers est en expansion : il a une histoire !
Le cadre dans lequel ont lieu les phénomènes physiques (événements
terrestres et cosmiques) est lui-même en évolution, il est lui-même un
phénomène !
•
Révolution conceptuelle majeure, à ne pas négliger !
Einstein est moins naïf que ceux qui s’amusent de son “erreur” !
Implications redoutables, encore très mal comprises...
L’univers a une histoire !
•
Une histoire, c’est plus qu’une succession d’événements, ou que
le déploiement de phénomènes inscrits dans la durée
Dans la conception antique du monde, le cosmos était animé de
mouvements (rotation des sphères célestes...), mais n’avait pas
d’histoire...
•
Une histoire, c’est un temps linéaire, et non cyclique
Un être vivant a une histoire, parce qu’il vit dans un temps non cyclique : il
naît, croît, décline et meurt → on peut raconter l’histoire d’un homme.
De même, on peut raconter l’histoire des hommes, parce qu’il y a une
évolution des sociétés humaines, et des civilisations, un “progrès” culturel
(au sens étymologique)
Histoire de l’humanité, histoire des espèces vivantes, etc.
Le problème du changement
•
Toute “histoire” nécessite un cadre (pour repérer le
changement), une scène (sur laquelle elle se déroule)
Quel cadre permet-il de parler de l’évolution de l’univers ?
Statut des lois physiques...
Faut-il une référence immuable ? Peut-on s’appuyer sur des changements
de rapports ? Mais comment les identifier ? → cadre extérieur
•
Que veut dire “évoluer” ? Qu’est-ce que le changement ?
Comment comparer ce qui est à ce qui était ?
Problème de la mémoire : la conscience est toujours au présent → a-t-on
véritablement accès à ce qui était ?
•
Comment une chose peut-elle changer, c’est-à-dire devenir ce
qu’elle n’était pas, et cesser d’être ce qu’elle était ?
•
Question centrale de la philosophie après Parménide (~500)
Partie II
Une histoire de la matière ?
Une histoire de la matière ?
•
Qu’est-ce que la matière ?
Très vieille réflexion !
Matière : donnée fondamentale (avec l’espace et le temps) de
l’expérience physique sensible, support des phénomènes physiques
•
“Substance”... mais de quelle nature, de quelle essence ?
Appréhendée par les sens, mais les sens sont-ils fiables ?
→ recours à la raison...
Quel lien avec la “réalité” ?
Qu’est-ce qui fait que les choses sont comme elles sont ?
•
Monde matériel : aspects extrêmement divers !
Mais il existe des affinités entre les “choses” !
Les corps du monde matériel ne sont pas indépendants...
Diversité / Unité
•
Les corps interagissent → pas étrangers les uns aux autres
Pourrait-il y avoir interaction sans participation à une même
réalité, à une essence commune ?
•
Les corps ont une affinité au niveau de la “substance”
ce qui “se tient au-dessous”, soutient, sous-tend les
corps et les phénomènes auxquels ils donnent corps !
Exemple : changements d’état !
Exemple : nutrition !
•
Anaxagore (~445): “En toute chose
il y a une portion de toute chose”
Différence entre ce qui apparaît et ce qui est !
S’il existe des affinités, un ordre caché derrière la diversité, quel est-il ?
Comment décrire/comprendre le passage d’un aspect à un autre ?
La question du changement
•
Monde physique soumis au changement, à la corruption
Tout, “ici-bas”, naît, croît, meurt, se compose, se décompose...
Rien n’est permanent : la réalité sensible est marquée par le
processus, le mouvement
Si les choses et les phénomènes ont une “raison”, comment
appréhender le changement ?
•
Problème philosophique et métaphysique très profond !
•
•
Héraclite (~500) : tout est mouvement/changement/tension
Touche à l’essence de la réalité et au problème de la génération !
Parménide (~480) : impossibilité foncière du changement
La question du changement
•
Héraclite : équilibre et repos apparent dissimulent une
tension sous-jacente, une interaction entre opposés (arc, lyre)
•
Parménide : critique radicale et “définitive”
“Il est.”
“Ce qui est ne peut pas ne pas être” → ni cesser d’être
Rien ne peut venir à être à partir de ce qui n’est pas
(de ce qui est totalement inexistant)
Rien ne peut venir à être, en quelque sens que ce soit !
•
La venue à l’être, la disparition et le changement sont
également et rigoureusement impossibles !
•
L’être est un et immuable
Partie III
De la chimie à l’alchimie :
lever le tabou de la transmutation !
Après Parménide...
•
Nul philosophe ou physicien ne peut négliger les arguments
de Parménide : ses continuateurs comme ses adversaires
•
Empédocle (~445) et Anaxagore (~445) acceptent que
rien ne peut venir à être à partir du non-être
Pluralité de ce qui existe → “éléments”, ou plutôt “racines”,
éternelles et incréées : Terre, Eau, Air, Feu : existent pareillement
et ont toujours existé
→ changement = combinaisons diverses des racines, substances
originaires et simples : mélanges, combinaisons, séparations
(NB: pour Anaxagore, pas seulement 4 éléments: une infinité de “choses
existantes” depuis toujours, mais toutes présentes en toute chose)
•
Les atomistes également (Leucippe, ~425; Démocrite, ~410):
acceptent l’idée d’unité inaltérable, indivisible, inengendrée,
mais postulent la pluralité de ces “uns”
Histoire de la matière ?
•
La matière n’a pas d’histoire à son niveau fondamental !
Anaxagore (500-428)
« Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà
existantes se combinent, puis se séparent de nouveau »
Lavoisier (1743-1794)
« Rien ne se perd, rien ne se crée,
tout se transforme »
Il ne peut y avoir d’histoire de la matière,
car ce qui n’est pas ne saurait venir à être
Le triomphe de la chimie
•
La chimie à la conquête de la matière...
Démocrite
D.I. Mendeleiev
A. Lavoisier
J. Dalton
A. Avogadro
Les éléments atomiques
•
Il existe 92 atomes distincts dans la Nature, à partir desquels
sont formés tous les composés chimiques, physiques,
géologiques, biologiques connus
•
Classification périodique de Mendeleïev
Les éléments atomiques
•
•
Tous les atomes n’ont pas la même abondance !
Ce qui est rare est cher...
L’or (Au) est plus rare que le germanium (Ge), qui est plus rare
que le Nickel (Ni), qui est plus rare que l’oxygène (O) ou le
carbone (C)...
→ renforce le tabou de la transmutation !
•
Pourquoi les abondances sont-elles différentes ?
•
→ Question vaine !
(et même différentes dans le soleil et sur Terre !)
“Parce que c’est comme ça !”
Ça l’a toujours été, et ça le sera toujours !
(d’après la chimie)
Abondances solaires
Numerical data from: Katharina Lodders (2003) The Astrophysical Journal 591: 1220–1247
La décennie révolutionnaire
•
Fin du XIXe siècle : on a compris la nature de la lumière
(ondes électromagnétiques), on a compris les principes de la
chimie et de l’organisation de la matière à partir des atomes
•
Mais...
Les rayons cathodiques
Crookes
1855 : pompe à vide de Geissler
1879 : tube de Crookes rayons inconnus
1897 : Thomson identifie l’électron
Thomson
Les rayons cathodiques
Crookes
Thomson
masse 2000 fois plus petite que l’atome le plus léger (H)
lancement de la physique subatomique
Les rayons cathodiques
Crookes
Thomson
La décennie révolutionnaire
•
•
Rayons cathodiques : électrons (1897)
•
•
Radioactivité de l’uranium (Becquerel, 1896)
•
1900-1912: découverte d’un nouveau rayonnement... le
rayonnement cosmique !
Rayons X (Röntgen, 1895)
→ nature incertaine jusqu’à von Laue (1912)
1898-1900: P. et M. Curie, E. Rutherford, P. Villard...
comprennent qu’il y a plusieurs types de radioactivité (α, β, γ)
L’électroscope
•
•
Électroscope chargé
•
L’électroscope se décharge plus vite si le rayonnement
est plus intense
les “bras” se repoussent
Soumis à un rayonnement énergétique, l’air se trouve
partiellement ionisé, et les charges électriques sont évacuées
Décharge spontanée !
•
1901: Wilson note que la décharge est identique
à la surface de la Terre et dans un tunnel profond
3.5 ions/cm3
•
•
Rutherford montre que c’est
dû à la radioactivité naturelle
(roches + contamination de
l’équipement)
(au lieu des
0.4 ions/cm3
attendus)
1910 : Théodore Wulf travaille au sommet de la tour
Eiffel, et montre que le rayonnement est nettement
supérieur à ce qui est attendu !
6 ions/cm3
•
Mystère !
Viktor Hess, à l’assaut du ciel !
Viktor Hess, en 1912
– 7 août 1912 –
12h15 : atterrissage près
de Pieskow (Brandenburg)
10h45 : altitude
maximale (5350 m)
06h12 : départ de Ústí (Bohême)
Augmentation du rayonnement
10 km
Altitude
Synthèse des mesures
de Hess et de Kolhörster
(1912 - 1914)
8 km
6 km
4 km
2 km
0 km
0
20
40
60
Intensité du rayonnement
80
Intensité du rayonnement
Augmentation du rayonnement
10 km
Altitude
Synthèse des mesures
de Hess et de Kolhörster
(1912 - 1914)
8 km
6 km
Le rayonnement vient du cosmos !!!
4 km
2 km
0 km
0
20
40
60
Intensité du rayonnement
80
Intensité du rayonnement
Naissance d’une nouvelle physique
•
1911-1950: physique atomique, physique quantique, physique
des particules...
•
Rôle majeur du rayonnement cosmique, comme source de
particules produisant des interactions à très haute énergie
1911: E. Rutherford découvre le noyau atomique
1919: E. Rutherford découvre le proton
1930: P. Dirac prédit l’anti-électron (positon)
1932: C. Anderson le découvre par hasard dans une trace de
rayon cosmique
1932: J. Chadwick découvre le neutron
1936: Neddermeyer et Anderson découvrent le muon (200
fois plus lourds que l’électron)
1936:Yukawa prédit la particule de masse intermédiare
“pion” (interactions au sein des noyaux)
1947: Powel la découvre !
1949-1953: découverte des “particules étranges” (K, Λ, Ξ, Σ)
•
La transmutation devient très vite banale !
De l’interdit à la banalité...
•
“Rien ne se perd, rien ne se créé”, “Ce qui est ne peut pas ne
pas être, et l’être ne peut émerger du non-être”...
•
Cela reste vrai, mais avec l’accès à des énergies plus élevées, un plus
grand niveau de profondeur peut être atteint pour la description
matérielle du monde
•
À l’échelle des molécules, c’est-à-dire à l’échelle d’énergie de la
chimie, la diversité physique apparente traduit la variété des
arrangements et des combinaisons d’atomes immuables
•
À l’échelle des constituants de noyaux d’atomes, c’est-à-dire à
l’échelle d’énergie nucléaire, la diversité chimique apparente traduit
la variété des arrangements et des combinaisons de nucléons
immuables (protons ou neutrons)
•
À cette échelle, passer d’un noyau à l’autre est parfaitement banal !
C’est ce qu’on appelle une interaction nucléaire...
Protons, neutrons : frères nucléaires
•
Protons et neutrons interagissent au sein des noyaux
atomiques via l’échange de gluons (interaction forte)
p
(charge +)
n
(charge nulle)
•
Ils peuvent aussi se changer l’un en l’autre, en émettant ou en
absorbant électron et anti-neutrino, ou anti-électron et
neutrino (interaction faible)
p
e+
n
νe
Stabilité nucléaire
•
Le neutron est légèrement plus massif que le proton : il est
donc instable et se désintègre spontanément pour former un
proton avec une durée de vie typique d’une dizaine de minutes
•
En revanche, dans un noyau, le neutron est stabilisé par les
interactions continuelles
•
La stabilité d’un noyau spécifique dépend d’un dosage entre le
nombre de protons et le nombre de neutrons, selon les lois de
la physique nucléaire, supposées connues dans leur principe,
mais très difficiles à calculer en pratique
Numéro atomique
•
Les atomes de la chimie sont caractérisés par leur capacité à se
lier de manière électromagnétique à d’autres atomes, et donc
leur nombre d’électrons (charges négatives)
•
Dans un atome non ionisé (neutre), le nombre d’électrons est
égal au nombre de protons (charges positives), et le nombre de
neutrons (charges nulles) n’a aucune importance
•
La signature d’un atome est donc son nombre de protons, appelé
“numéro atomique”
Petits arrangements entre amis...
•
Changer de noyau, et donc d’élément chimique, c’est
simplement réarranger les constituants “élémentaires” (à cette
échelle d’énergie) que sont les nucléons (protons et neutrons)
1H
2H
9Be
3He
4He
12C
Partie IV
La nucléosynthèse primordiale
L’évolution de l’univers
•
Découverte majeure : l’espace-temps, c’est-à-dire le cadre
même de la réalité physique, n’est pas immuable !
Albert Einstein (1879-1955)
•
Théorie de la Relativité Générale
→ lien entre la “métrique de
l’espace-temps” et le contenu
énergétique/matériel de l’univers
•
Implications cosmologiques : les distances
entre des points de coordonnées fixes
dans l’espace varient !
•
Observation : l’univers est en expansion !
“Big bang”: un passé chaud et dense
•
Attention aux mots “Big bang” : rien n’explose dans l’univers
primordial ! Ce sont les distances qui varient...
•
En remontant le temps à partir de
l’état actuel de l’univers, on sait que
la température et la densité de
l’univers augmentent...
•
En allant vers le passé, on trouve des
particules de plus en plus énergétiques,
jusqu’à atteindre des énergies nucléaires !
•
Les réactions nucléaires sont
inévitables : les noyaux, quels qu’ils
soient, où qu’ils soient, sont bombardés
de particules qui les cassent en nucléons
élémentaires.
L’univers “primordial”
•
p
Milieu homogène constitué de toutes les particules capables
d’être créés à la température du moment (ou d’avoir survécu
depuis une époque antérieure) et de survivre à la température
du moment.
e+
n
νe
γ
L’univers “primordial”
•
p
L’abondance relative des différentes particules présentes est
fixée par la condition d’équilibre thermodynamique, pour celles
qui sont à l’équilibre (c’est-à-dire celles qui interagissent
suffisamment avec le “bain ambiant”)...
e+
n
νe
γ
Des nucléons individuels aux noyaux
•
La nucléosynthèse – la synthèse des noyaux – débute à partir
des nucléons individuels, et procède par fusion
•
À t = 0,007 seconde après l’horizon zéro (vu de maintenant)
T = 10 MeV ~ 1011 K
p
•
•
e+
n
γ
νe
protons, neutrons,
(anti)électrons,
(anti)neutrinos, photons
Les nucléons s’apparient, mais sont tout de suite détruits !
+
=
+
=
+
+
L’univers matériel consiste en noyaux d’hydrogène et neutrons isolés
Des nucléons individuels aux noyaux
•
Comme l’univers est en expansion, la température décroît et la
densité aussi. Les interactions sont alors moins nombreuses et
moins violentes.
ep
•
p
n
νe
e+
n
νe
L’équilibre entre les neutrons et les protons, réalisé par
l’interaction faible avec les électrons et les neutrinos, cesse
d’être maintenu lorsque T ~ 0.7 MeV, à t = 1,5 secondes après
l’horizon zéro
→ le nombre de protons et neutrons est alors fixé à jamais...
neutrons/protons ~0,16
...sauf que les neutrons sont instables et décroissent en protons (en
10 minutes) : si on veut les inclure dans des noyaux, il faut faire vite !
Des nucléons individuels aux noyaux
•
À partir de 1,5 seconde, on a des protons et des neutrons, et
les neutrons commencent à décroître lentement
p
e-
n
νe
•
Quand il n’y en aura plus, on pourra dire adieu à la
nucléosynthèse ! → Il faut faire vite !
•
Mais la température est encore trop élevée, et dès qu’on forme
du deutérium, il est brisé et détruit !
+
=
+
=
+
+
Des nucléons individuels aux noyaux
•
À t = 180 secondes, quand T = 0.085 MeV, le deutérium peut
enfin se former sans être immédiatement détruit !
+
1+1=2
•
=
EURÊKA !
La nucléosynthèse est sauvée ! La “synthèse des noyaux” peut
démarrer à partir des nucléons individuels, et procèder... selon
les lois de l’arithmétique élémentaire !
1+1=2
Deutérium
2+1=3
Tritium
2+2=3+1
Hélium-3
... fin de la séance du 7 janvier 2010 ...