La mesure du taux de formation du carbone dans les étoiles crée la surprise

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Australie | Science de la terre, de l’univers et de l’environnement : énergie, transports, espace, environnement | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
30 novembre 2020

Une collaboration entre l’Université Nationale d’Australie (Australian National University) et l’Université d’Oslo a permis de remettre à jour les calculs de taux de formation de l’élément carbone dans les étoiles.

Le carbone n’est pas un élément facile à former : il est issu de la fusion de non pas deux noyaux atomiques, mais de trois : trois noyaux d’atomes d’hélium, ou particules alpha ! Cette rencontre doit en plus avoir lieu en une petite fraction de seconde pour permettre au carbone de se stabiliser. Dans une étoile comme la nôtre, à une température de seulement 20 millions de degrés, les atomes ne se rencontrent pas si souvent, alors ce phénomène est tellement rare qu’il ne permet pas d’expliquer l’abondance du carbone dans notre système. Il a fallu attendre 1953, et la découverte de l’astrologue Sir Fred Hoyle, pour comprendre. La rencontre des trois atomes d’hélium passe par un état excité du carbone (c’est-à-dire un état ou le noyau contient une quantité d’énergie spécifique, liée à sa structure, en plus de l’énergie de son état fondamental) très proche de l’énergie du système des trois particules alpha qui se rencontrent. Cet état, appelé dès lors Etat de Hoyle a rendu possible la formation du carbone dans l’univers, puisque nos trois particules alpha pouvaient, en libérant ce surplus d’énergie, former un noyau de carbone stable, dans son état fondamental.

Pourtant, ce processus reste rare : sur 2500 états de Hoyle formés avec trois particules alpha, il n’y a qu’une seule transition vers un carbone stable. Cette transition peut se faire de deux façons : l’état excité formé peut libérer son surplus d’énergie soit en émettant une paire électron-positron (ce taux de transition a été mesuré à l’ANU), soit en émettant un photon (ce taux de transition a été mesuré à l’université d’Oslo). En combinant les résultats de l’ANU et de l’université d’Oslo, le taux de production du carbone total a été calculé, créant la surprise générale : les calculs ont montré que le taux de production de carbone était 34% plus important que ce qui avait été précédemment estimé !
Sur Terre, le carbone est à la base de toute matière vivante. Dans les étoiles, les taux précis de chaque réaction nucléaire nous permettent de comprendre leur évolution ou les phénomènes astrophysiques. Cette découverte devrait avoir des implications importantes sur nos modèles. Des expériences visant à vérifier et à préciser ces résultats devraient avoir lieu dans le sillage de celle-ci.

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