Nucléosynthèse stellaire Comment les étoiles fabriquent tous les éléments

La nucléosynthèse stellaire est le processus par lequel les éléments sont créés dans les étoiles en combinant les protons et les neutrons ensemble à partir des noyaux des éléments plus légers. Tous les atomes de l'univers ont commencé sous forme d'hydrogène. La fusion à l'intérieur des étoiles transforme l'hydrogène en hélium, en chaleur et en rayonnement. Des éléments plus lourds sont créés dans différents types d'étoiles lorsqu'ils meurent ou explosent.

Histoire de la théorie

L'idée que les étoiles fusionnent les atomes des éléments légers a été proposée pour la première fois dans les années 1920, par le fervent partisan d'Einstein, Arthur Eddington. Cependant, le véritable mérite de son développement en une théorie cohérente est attribué aux travaux de Fred Hoyle au lendemain de la Seconde Guerre mondiale. La théorie de Hoyle contenait quelques différences importantes par rapport à la théorie actuelle, notamment qu'il ne croyait pas à la théorie du big bang mais plutôt que l'hydrogène était continuellement créé dans notre univers. (Cette théorie alternative a été appelée théorie de l'état stationnaire et est tombée en disgrâce lorsque le rayonnement de fond micro-ondes cosmique a été détecté.)

Les premières étoiles

Le type d'atome le plus simple de l'univers est un atome d'hydrogène, qui contient un seul proton dans le noyau (éventuellement avec des neutrons suspendus également) avec des électrons encerclant ce noyau. On pense maintenant que ces protons se sont formés lorsque l'énergie incroyablement élevée plasma quark-gluon de l'univers très précoce a perdu suffisamment d'énergie pour que les quarks commencent à se lier ensemble pour former des protons (et d'autres hadrons, comme les neutrons). L'hydrogène s'est formé à peu près instantanément et même l'hélium (avec des noyaux contenant 2 protons) s'est formé dans un ordre relativement court (partie d'un processus appelé nucléosynthèse Big Bang).

Comme cet hydrogène et cet hélium ont commencé à se former dans le premier univers, il y avait des zones où il était plus dense que dans d'autres. La gravité a pris le dessus et finalement ces atomes ont été rassemblés en gaz massifs de nuages ​​dans l'immensité de l'espace. Une fois que ces nuages ​​sont devenus assez grands, ils ont été rapprochés par gravité avec suffisamment de force pour provoquer la fusion des noyaux atomiques, dans un processus appelé fusion nucléaire. Le résultat de ce processus de fusion est que les deux atomes à un proton ont maintenant formé un seul atome à deux protons. En d'autres termes, deux atomes d'hydrogène ont commencé un seul atome d'hélium. L'énergie libérée au cours de ce processus est ce qui fait brûler le soleil (ou toute autre étoile, d'ailleurs).

Il faut près de 10 millions d'années pour brûler à travers l'hydrogène, puis les choses chauffent et l'hélium commence à fondre. La nucléosynthèse stellaire continue de créer des éléments de plus en plus lourds jusqu'à ce que vous vous retrouviez avec du fer.

Création des éléments plus lourds

La combustion de l'hélium pour produire des éléments plus lourds continue alors pendant environ 1 million d'années. En grande partie, il est fusionné en carbone via le processus triple-alpha dans lequel trois noyaux d'hélium-4 (particules alpha) sont transformés. Le processus alpha combine ensuite l'hélium avec le carbone pour produire des éléments plus lourds, mais uniquement ceux avec un nombre pair de protons. Les combinaisons vont dans cet ordre:

1. Le carbone et l'hélium produisent de l'oxygène.
2. L'oxygène et l'hélium produisent du néon.
3. Le néon et l'hélium produisent du magnésium.
4. Le magnésium et l'hélium produisent du silicium.
5. Le silicium et l'hélium produisent du soufre.
6. Le soufre et l'hélium produisent de l'argon.
7. L'argon et l'hélium produisent du calcium.
8. Le calcium et l'hélium produisent du titane.
9. Le titane et l'hélium produisent du chrome.
10. Le chrome et l'hélium produisent du fer.

D'autres voies de fusion créent les éléments avec un nombre impair de protons. Le fer a un noyau si étroitement lié qu'il n'y a plus de fusion une fois ce point atteint. Sans la chaleur de la fusion, l'étoile s'effondre et explose dans une onde de choc.

Le physicien Lawrence Krauss note qu'il faut 100 000 ans pour que le carbone se transforme en oxygène, 10 000 ans pour que l'oxygène brûle dans le silicium et un jour pour que le silicium brûle dans le fer et annonce l'effondrement de l'étoile.

L'astronome Carl Sagan dans la série télévisée "Cosmos" a noté: "Nous sommes faits d'étoiles." Krauss a accepté, déclarant que "chaque atome de votre corps était une fois à l'intérieur d'une étoile qui a explosé ... Les atomes dans votre main gauche provenaient probablement d'une étoile différente de celle de votre main droite, parce que 200 millions d'étoiles ont explosé pour former les atomes dans votre corps."