Les étoiles au plomb

ALTAIR
27 novembre 2004
Les étoiles au plomb
Cauchemar d'alchimiste, Rêve d'astronome
« Comment en un plomb vil l'or pur s'est-il changé ? »
Racine, J. : 1691, Athalie, III, 7
Alchimie
" Sous l'action des astres, les métaux vils deviennent des métaux
purs; mais ce travail, qui s'effectue au sein de la terre, est très lent.
L'alchimiste cherchera, dans son laboratoire, à reduire le laps de
temps nécessaire à ces transformations. "Par la résolution des mixtes,
séparer le pur de l'impur". "
"Le plomb renferme beaucoup de terre: il est opaque et gris foncé; l'or
contient beaucoup moins de terre et un peu de feu qui le colore."
Des alchimistes aux briseurs d'atomes, Rassenfosse et Guében, 1928
Paracelse décrit minutieusement la Pierre philosophale, qu' il a vue
semblable à un rubis foncé.
Cosme Ier de Médicis paye 20 000 ducats la recette de la transmutation
du plomb en or, recette qu'il avait expérimentée et reconnue exacte.
Helvétius, Spinoza, Newton, ...
Sommaire
De quoi sont faites les étoiles?
D'où tirent-elles leur luminosité?
Les constituants de la matière
Quelques processus de nucléosynthèse
Big Bang
les différentes phases de combustion
les processus r et s
L'évolution stellaire
le diagramme de Hertzsprung-Russell
Le processus s:
des preuves: Tc, étoiles à Ba, étoiles S
une prédiction testable: l'existence d'étoiles au plomb
vérification de cette prédiction
à la recherche de bonnes candidates
observations
résultats
Conclusion
De quoi sont faites les étoiles?
1802: William Wollaston (1766 - 1828) remarque
que le spectre du soleil comporte des raies obscures.
Attribue ces raies à des séparations naturelles entre
les couleurs.

1814: Fraunhofer observa 600 raies dans le
spectre solaire et mesura la longueur d'onde de 324
raies.

1864: Huggins fit correspondre certaines de ces
raies observées dans les étoiles avec des raies de
substances observées en labo, démontrant que les
étoiles sont faites de matière "normale"

Le spectre
électromagnétique
Spectroscopie
Spectre continu
Spectre en absorption
Spectre en émission
Hélium
Oxygène
Spectroscopie
Spectre d'une étoile
Le spectre du soleil
Fraunhofer (1817)
Spectre du
soleil
Sources
d'énergie
stellaire
(suite)
Sources
d'énergie
stellaire
Chimique ?
Energie du lien chimique ≈ 100 kJ / mole
1 mole = Avogadro particules = 6.02  1023 particules
Une particule moyenne <A> ≈ 50 u.m.a.
(1 u.m.a. = 1 unité de masse atomique = 1/12 masse de 12C)
possède une énergie chimique ≈ 100 kJ / 50g ≈ 2000 J/g
L'énergie libérée sera: Echim = 2000 J/g  M
Luminosité du soleil = L = 3.9  1026 J / s
La durée de vie du soleil serait donc:
Kelvin Helmholtz = Echim / L ≈ 1010 s ≈ 300 ans
 impossible
Sources d'énergie stellaire (suite)
" Si le soleil était composé de charbon de terre
massif brûlant dans l'oxygène pur, il ne pourrait
brûler pendant plus de six mille ans sans être
entierement consumé: il serait donc éteint depuis
l'origine des temps historiques "
Camille Flammarion, Astronomie Populaire
(1879)
Helmoltz 1854  contraction gravitationnelle
Gravitationnelle?
Ordre de grandeur de l'énergie gravitationnelle:
Eg ≈ -G M2/R
Eg = -(Ef-Ei) = énergie rayonnée pendant l'effondrement
Supposons Ri >> Rf
alors Eg ≈ -Ef ≈ G M2 /R  ≈ 4  1041 J
(avec  = soleil)
Luminosité du soleil = L = 3.9  1026 J / s
La durée de vie du soleil serait donc:
 Kelvin Helmholtz = Eg / L ≈ 1015 s ≈ 30 millions d'années
or l'âge de la terre est déjà de 4.6 milliards d'années
 impossible
Sources d'énergie stellaire (fin)
Nucléaire ?
Combustion de l'hydrogène en hélium: 4p  4He
libère 26.71 MeV = 4.27  10-12 J par réaction
(1 eV = 1.6  10-19 J ; 1 MeV = 1 million d'eV)
soit 4.27  10-12 J par 4 u.m.a. formées
soit 4.27  10-12 J  Avogadro /4 J / g ≈ 6.43  1011 J/g
En supposant que seulement 10% de la masse solaire participe à la
fusion nucléaire, l'énergie libérée sera:
Enuc = 6.43  1011 J/g  0.1  M
Le temps de vie du soleil est:
 nucléaire = Enuc / L ≈ 3  1017 s ≈ 10 milliards d'années
 la source d'énergie stellaire doit être nucléaire
( et principalement assurée par la combustion d'hydrogène en hélium)
Les constituants de la matière
 Les constituants de la matière:
 ELECTRONS: chargés
négativement
 PROTONS: 1836 fois la
masse de l'électron; chargés
positivement.
Nombre de protons: Z
 neutrons: environ la
même masse que le proton;
non chargés.
Nombre de neutrons: N
Les atomes
 Les protons et
neutrons s'associent en
nombre à peu près égal
(stabilité) pour former
un noyau nucléaire
 Autour du noyau
orbitent un nombre
d'électrons égal au
nombre de proton
(neutralité électrique)
 Le tout forme un atome, caractérisé
par le nombre de protons Z du noyau
Les éléments chimiques
 Le nombre de protons va fixer les propriétés microscopiques de
l'atome: capacité de se lier avec d'autres atomes, interaction avec la
lumière, facilité à perdre / gagner des électrons, etc.
 Quand une quantité énorme d'atomes de même type est réunie,
les propriétés microscopiques de l'atome se traduisent par des
caractéristiques macroscopiques: état gazeux, liquide ou solide à
une température donnée, couleur, consistance, viscosité / dureté
Carte de Segrè des nucléides
Carte de Segrè des nucléides
La nucléosynthèse
Nucléosynthèse = synthèse des noyaux
La théorie de la nucléosynthèse explique l'origine et les abondances relatives des
éléments chimiques dans l'Univers
Courbe d'abondance des éléments chimiques et de leurs isotopes dans le système
solaire:
 roches terrestres
 météorites: chondrites carbonées, météorites primitives représentatives de la
composition chimique de la nébuleuse protosolaire
 spectroscopie solaire et stellaire
 La courbe d'abondance est universelle !
roches terrestres ≈ météorites ≈ Soleil ≈ étoiles
à quelques exceptions près:
 Li, Be, B solaire Li, Be, B météoritique
 météorites pauvres en éléments volatils (He)
 différences étoiles - soleil (évolution stellaire, évolution chimique de la Galaxie)
-
 La similitude de la composition des objets de l'univers suggère une
parenté commune pour l'ensemble des noyaux atomiques
Energie de liaison
La masse d'un noyau est toujours inférieure à la somme des masses de ses
constituants:
Défaut de masse =
(Z Mp + N Mn) - Mnoyau
(Rappel: noyau = A nucléons dont Z protons et N neutrons)
Formation du noyau à partir de ses constituants (neutrons et protons): qu'est
devenu cette masse manquante?
 Libérée sous forme d'énergie (rayon gamma): E
Energie de liaison du noyau = c2
= m c2
[(Z Mp + N Mn)
- Mnoyau ]
C'est aussi l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour le briser en ses
constituants (neutrons et protons).
Similarités entre la courbe d'abondance universelle et la courbe de l'énergie
de liaison par nucléon
 la proportion des éléments de l'univers reflète des mécanismes
nucléaires
environnements très chauds/ particules très énergétiques
• Big Bang
• Etoiles
Dès 1920: Arthur Eddington suggère que les étoiles tirent
leur énergie de la fusion de l'hydrogène en hélium
(controverse: Perrin?)
Preuve supplémentaire
En 1952, Merrill observe du technétium à la surface d'étoiles S
Or tous les isotopes du technétium sont instables (radioactifs)
Durées de vie inférieures à quelques millions d'années,
donc bien inférieures à l'âge de l'univers.
 une nucléosynthèse a lieu dans les étoiles
Technétium:
radioactif
 si une étoile a du Tc,
alors elle est en train d'en
fabriquer.
Les grandes classes de processus de
nucléosynthèse
La nucléosynthèse primordiale (Big Bang)
t = 1 minute: protons, neutrons, electrons,
photons, neutrinos

t = 1- 4 minutes: T< 109 K: deuterium (1%), 3He,
4He (24%), Be, 7Li à partir des protons
primordiaux
t >5 minutes: T,P trop basse, la nucléosynthèse
s'arrête.

 L'univers est alors composé de 76% (en
masse) d'hydrogène, 24% d'hélium et de
traces de 2H, 3He, Be, 7Li.
(succès du Big Bang)
Nucléosynthèse du big bang
Combustion de H :
• cycle pp
(prédominante )
• cycle CNO
(nucléosynthèse: 14N)
NB: Dans les 2 cas, après combustion de l'H, l'étoile a libéré 6 MeV
par proton converti en 4He.
Or le réservoir d'énergie nucléaire est 8.6 MeV (énergie de liaison du
fer).
 il ne reste plus à l'étoile que 2.6 MeV
combustion de l'hydrogène
Combustion de He:
réaction triple alpha:
4He + 4He  8Be
8Be + 4He  12C + 
12C + 4He  16O + 
prod. d'énergie: 0.7 MeV/nucléon
durée: 1/2 million d'années (25 M )
nucléosynthèse: 12C, 16O
T ≈ 100-200 millions de degrés
Dès 1952, prédiction par Fred Hoyle du niveau du 12C à 7.6 MeV
Combustion de l'hélium
Fred Hoyle
- structure et évolution stellaire, nucléosynthèse
- étude du processus triple alpha (combustion de
He), et, pour expliquer l'abondance de carbone
dans la nature, prédiction d'un niveau excité du
12C, plus tard confirmée par l'expérience par les
physiciens nucléaires de Caltech. Lien controversé
avec le principe anthropique.
- article B2FH
- adversaire du Big Bang, partisan de
la création continue
- partisan de la panspermie
- condamnation du fait que Jocelyn
Bell n'ait pas obtenu le prix Nobel
pour la découverte des pulsars en
même temps que son directeur de
thèse Antony Hewish
- auteur de livres de science-fiction
(Le nuage noir)
combustion du carbone
12C + 12C  20Ne + 4He (50%)
 23Na + p (50%)
 23Mg + n (rare)
durée: 600 ans (25 M )
nucléosynthèse: 20Ne, 23Na
combustion du néon
durée: 1 an (25 M )
nucléosynthèse: 16O, 24Mg
combustion de l'oxygène
durée: 6 mois (25 M )
nucléosynthèse: divers noyaux Mg  Ar
combustion S-Mg-Si
durée: 1 jour (25 M )
La nucléosynthèse explosive
Lors des explosions de type novae (cycle CNO chaud)
Lors des explosions de type supernovae
La catastrophe du fer
T ≈ 5 milliards de degrés : photodésintégration du fer
Ni, Fe
 , n
équilibre nucléaire statistique
processus très endothermique: -2.2 MeV/n
 p, n

contraction gravitationnelle

T

photodésintégrations + rapides

implosion du coeur de Fer
??
explosion des couches externes

supernova
La nucléosynthèse explosive
Lors des explosions de type supernovae
Processus r (« rapid »)
capture rapide de neutrons
les isotopes instables n'ont pas le temps de se désintégrer avant
de capturer un nouveau neutron
production d'éléments plus lourds que le fer (isotopes riches en
neutrons)
Processus p (photo-émissions de neutrons)
-> production d'éléments plus lourds que le fer (isotopes riches en
protons)
La nucléosynthèse non explosive
Auxiliaire aux cycles de production d'énergie
-> Processus s (« slow »)
capture lente de neutrons
tout isotope instable se désintègre avant de capturer un nouveau
neutron
production d'éléments plus lourds que le fer (isotopes proches de la
vallée de stabilité, jusqu'au 208Pb et 209Bi)
Ex:
56Fe  57Fe  58Fe  59Fe (captures de neutrons sur noyaux stables)
puis: 59Fe  59Co + e- + e (désintegration beta -)
La nucléosynthèse par spallation dans le milieu interstellaire et/ou
à la surface d'étoiles actives (flares stars)
collision de particules du rayonnement cosmique ou de particules
accélérées dans les "flares" (protons, He), suffisamment
énergétiques pour casser les noyaux de C,N,O
 production de Li, Be, B
NB: également production de Li dans les enveloppes d'étoiles
géantes de type asymptotique.
Démarche historique
1920: Arthur Eddington suggère que les étoiles
tirent leur énergie de la fusion de l'hydrogène en
hélium. Querelle Perrin (1919)
1928: George Gamow (1904-1968) introduit le facteur de
Gamow (formule donnant la probabilité d'une réaction
nucléaire). Fameux article "Alpher-Bethe-Gamow". Echec
de Gamow pour élaborer les éléments plus lourds que
l'hélium lors du Big Bang.
1938: Hans Bethe décrit les différentes possibilités de
combustion de l'hydrogène en hélium et sélectionne les 2
processus à l'oeuvre dans les étoiles (cycles pp et CNO).
Pense que le soleil utilise le cycle CNO. Prix Nobel 1967.
Jusqu'en 1957, 2 modèles cosmologiques:
-- Big Bang:
expansion de l'univers: OK
origine des éléments (sauf les plus légers): problème
-- état stationnaire:
création continue de matière
problème pour expliquer cette création continue, l'expansion, les galaxies...
1957: Margaret Burbidge, Goeffrey Burbidge, William
Fowler et Fred Hoyle publient leur article B2FH, qui explique
comment les étoiles peuvent fabriquer tous les éléments (8
processus, le 8ème étant "x-process", pour D, Li, Be, B).
SAD
L'évolution stellaire
Le diagramme de
Hertzsprung-Russell
Processus s: des preuves
Technétium
99Tc fabriqué par le
processus s
- radioactif
 si une étoile a du Tc,
alors elle est en train de fabriquer
des éléments par le processus s
Processus s: des preuves
N=50:
Sr,Y,Zr
 étoiles S
Processus s: des preuves
N=82:
Étoiles à baryum
Ba,La,Ce
Prédiction du processus s
« Le processus s est plus efficace à faible métallicité » (Goriely &
Mowlavi 1999)
Métal: tout élément susceptible d'être produit dans une étoile.
Métallicité: quantité de métaux (par ex: fer) présents dans
l'objet étudié.
(
(
log
atomes de fer
atomes d'hydrogène
atomes de fer
atomes d'hydrogène
)
)
Étoile
= [Fe/H]
Soleil
Exemple:
[Fe/H] = -1: l'étoile a 10 fois moins de métaux que le soleil
[Fe/H] = -2: l'étoile a 100 fois moins de métaux que le soleil
Que nous apprend la métallicité ?
Tous les métaux sont produits au coeur d'étoiles
A la fin de sa vie,
l'étoile disperse les
métaux produits au
cours de sa vie
dans l'espace
interstellaire
Cette matière « processée »
se retrouve dans les nuages interstellaires ...
Nuages sombres moléculaires
Proto-étoiles
... à partir desquels se reforment de nouvelles étoiles
Nouvelle étoile
Donc chaque génération d'étoiles est enrichie en métaux
crées par les générations précédentes d'étoiles
Dans un système fermé, comme notre Galaxie,
les étoiles avec une métallicité plus faible (petit [Fe/H])
seront plus vieilles
que les étoiles de métallicité plus grande (grand [Fe/H])
Relation
âge-métallicité
Prédiction du processus s
« Le processus s est plus efficace à faible métallicité » (Goriely & Mowlavi 1999)
N=126
N=126:
Pb,Bi
N=82:
Ba,La,Ce
N=50:
Sr,Y,Zr
N=50
Très faible
métallicité
N=82
Faible
métallicité
Métallicité
solaire
Plomb
A faible métallicité,
les étoiles enrichies en éléments s doivent contenir beaucoup de plomb
A la recherche de bonnes candidates
A faible métallicité,
les étoiles enrichies en éléments s doivent contenir beaucoup de plomb
A la recherche d'étoiles
. enrichies en éléments s
ET
. de faible métallicité
Étoiles AGB
Problème: on ne connaît pas d'étoile AGB de faible métallicité...
Idée: étoiles CH
ET
. étoiles enrichies en éléments s
. étoiles de faible métallicité ([Fe/H] ~ -1)
Candidates idéales pour tester la prédiction théorique
Ce ne sont pourtant pas des étoiles AGB: elles sont trop peu lumineuses
Dès lors, pourquoi sont-elles enrichies en éléments s ?
Les étoiles CH
Étoiles binaires ...
Vue d'artiste
... polluées par de la matière
éjectée, par le passé,
par leur compagnon
qui était alors une étoile AGB
Les étoiles CH ont été polluées
par une AGB de faible métallicité
Elles permettent donc
de tester le processus s
Il suffit de rechercher du plomb
dans les étoiles CH
Demande de temps de
télescope à l'ESO (Observatoire
Européen austral)
L'observatoire de La Silla
(Chili)
Le télescope de 3m60
équipé du spectrographe CES
(Coude Echelle Spectrograph)
Spectres réduits au télescope
Au retour de mission,
- réduction soignée des images
CCD
- analyse des spectres:
détermination de l'abondance de
plomb
par synthèse spectrale
au travers d'un modèle
d'atmosphère adapté.
Détermination de l'abondance de
plomb par synthèse spectrale
Comparaison avec les
modèles de nucléosynthèse
Efficacité du processus s en fonction de la métallicité
2001
Efficacité du processus s en fonction de la métallicité
La fin de l'histoire? Non!
2002
Efficacité du processus s en fonction de la métallicité
2003
Petite conclusion
Pas vraiment de conclusion...
Les modèles actuels de nucléosynthèse ne permettent pas
d'expliquer toutes les observations
Poisons neutroniques, rotation, 3D, ...
Les abondances dérivées des observations sont entachées de
grandes barres d'erreur
Des observations plus nombreuses sont requises
pour dégager des tendances
Spectres UVES du Very Large Telescope
Conclusion plus générale
« Comment en un plomb vil l'or pur s'est-il changé ? »
Racine, J. : 1691, Athalie, III, 7
Poussières d'étoiles...
Fin
Les grandes classes de processus de nucléosynthèse
La nucléosynthèse primordiale (Big Bang)
production de deuterium (1%), He (25%), Li, Be a partir des protons primordiaux
La nucléosynthèse par spallation (milieu interstellaire)
production de Li, Be, B
La nucléosynthèse non explosive
Associée aux cycles de production d'énergie
combustion de H (cycle pp, CNO)
combustion de He (réaction triple alpha)
combustion de C, O, Ne, Mg, Si
production de la majorité des nucléides plus légers que Fe
Auxiliaire aux cycles de production d'énergie
processus s (« slow »)
-> production d'éléments plus lourds que le fer
La nucléosynthèse explosive
Lors des explosions de type novae (cycle CNO chaud)
Lors des explosions de type supernovae
combustion H, He, C, O, Ne, Mg, Si
processus r (« rapid ») -> production d'éléments plus lourds que le fer
processus p (photo-émissions de neutrons) -> production d'éléments plus lourds que le fer
Les grandes classes de processus de nucléosynthèse
La nucléosynthèse primordiale (Big Bang)
production de deuterium (1%), He (25%), Li, Be a partir des protons primordiaux
La nucléosynthèse par spallation (milieu interstellaire)
production de Li, Be, B
La nucléosynthèse non explosive
Associée aux cycles de production d'énergie
combustion de H (cycle pp, CNO)
combustion de He (réaction triple alpha)
combustion de C, O, Ne, Mg, Si
production de la majorité des nucléides plus légers que Fe
Auxiliaire aux cycles de production d'énergie
processus s (« slow »)
-> production d'éléments plus lourds que le fer
La nucléosynthèse explosive
Lors des explosions de type novae (cycle CNO chaud)
Lors des explosions de type supernovae
combustion H, He, C, O, Ne, Mg, Si
processus r (« rapid ») -> production d'éléments plus lourds que le fer
processus p (photo-émissions de neutrons) -> production d'éléments plus lourds que le fer
OBAFGKM
RNS
Oh Be A Fine Guy/Girl Kiss Me
Only Boys accepting Feminism Get Kissed Meaningfully
Official Bureaucrats At Federal Government Kill Many Researchers' National Support
Observationalists Basically Are Fine Generous Kind Men (Really Not Sexist)
Oh backward Astronomer, Forget Geocentricity;
Kepler's Motions Reveal Nature's Simplicity
Only Boring Astronomers Find Gratification Knowing Mnemonics
Processus r et s