New framework suggests stars dissolve into neutrons to forge heavy elements
Un nouveau cadre suggère que les étoiles se dissolvent en neutrons pour former des éléments lourds
Par le Laboratoire national de Los Alamos
Un jet photonique de haute énergie (blanc et bleu) traverse un collapsar avec un trou noir en son centre. L'espace rouge autour du jet représente le cocon où les neutrons libres peuvent être capturés, provoquant le processus r, la nucléosynthèse qui conduit à la formation des éléments lourds. Crédit : Laboratoire national de Los Alamos
Comprendre l'origine des éléments lourds du tableau périodique est l'un des problèmes ouverts les plus complexes de la physique. En recherchant des conditions propices à la formation de ces éléments par « nucléosynthèse », une équipe du Laboratoire national de Los Alamos explore des domaines où aucun chercheur n'a encore étudié le jet de sursaut gamma et le cocon environnant émergeant d'étoiles effondrées.
Comme suggéré dans un article de The Astrophysical Journal, les photons de haute énergie produits au plus profond du jet pourraient dissoudre les couches externes d'une étoile en neutrons, provoquant une série de processus physiques conduisant à la formation d'éléments lourds.
« La création d'éléments lourds tels que l'uranium et le plutonium nécessite des conditions extrêmes », explique Matthew Mumpower, physicien à Los Alamos. « Il n'existe que quelques scénarios viables, mais rares, dans le cosmos où ces éléments peuvent se former, et tous ces emplacements nécessitent une quantité importante de neutrons. Nous proposons un nouveau phénomène où ces neutrons ne préexistent pas, mais sont produits dynamiquement dans l'étoile.»
Les neutrons libres ont une courte période radioactive d'environ 15 minutes, ce qui limite les scénarios où ils sont disponibles en abondance pour former des éléments lourds. La clé de la production des éléments les plus lourds du tableau périodique est connue sous le nom de processus de capture rapide de neutrons, ou « processus r », et on pense qu'il est responsable de la production de tout le thorium, de l'uranium et du plutonium naturels de l'univers.
Le cadre proposé par l'équipe aborde les difficultés physiques du processus r et les résout en proposant des réactions et des processus autour des effondrements d'étoiles qui pourraient conduire à la formation d'éléments lourds.
Outre la compréhension de la formation des éléments lourds, le cadre proposé permet de répondre à des questions cruciales concernant le transport des neutrons, les simulations multiphysiques et l'observation d'événements rares, autant d'éléments intéressants pour les applications de sécurité nationale qui peuvent tirer des enseignements de ces recherches.
Comme un train de marchandises sillonnant la neige
Dans le scénario proposé par Mumpower, une étoile massive commence à mourir à mesure que son combustible nucléaire s'épuise. Incapable de résister à sa propre gravité, un trou noir se forme au centre de l'étoile. Si le trou noir tourne suffisamment vite, les effets de glissement de cadre dus à la gravité extrêmement forte à proximité du trou noir amplifient le champ magnétique et forment un puissant jet. Les réactions qui s'ensuivent créent un large spectre de photons, dont certains sont de haute énergie.
Le jet traverse l'étoile qui le précède, créant un cocon de matière chaude autour du jet, « comme un train de marchandises labourant la neige », explique Mumpower. À l'interface du jet avec la matière stellaire, des photons de haute énergie (c'est-à-dire la lumière) peuvent interagir avec les noyaux atomiques, transmutant les protons en neutrons.
Les noyaux atomiques existants peuvent également se dissoudre en nucléons individuels, créant ainsi davantage de neutrons libres pour alimenter le processus r. Les calculs de l'équipe suggèrent que l'interaction avec la lumière et la matière peut créer des neutrons à une vitesse incroyable, de l'ordre de la nanoseconde.
En raison de leur charge, les protons sont piégés dans le jet par les puissants champs magnétiques. Les neutrons, sans charge, sont expulsés du jet vers le cocon. Ayant subi un choc relativiste, ils sont extrêmement denses par rapport à la matière stellaire environnante, ce qui peut entraîner le processus r, avec la formation d'éléments lourds et d'isotopes, puis leur expulsion dans l'espace lors de la fragmentation de l'étoile.
Le processus de conversion des protons en neutrons, ainsi que la fuite des neutrons libres vers le cocon environnant pour former des éléments lourds, implique un large éventail de principes physiques et englobe les quatre forces fondamentales de la nature : un véritable problème multiphysique, combinant des domaines de la physique atomique et nucléaire avec l'hydrodynamique et la relativité générale.
Malgré les efforts de l'équipe, d'autres défis subsistent, car les isotopes lourds créés lors du processus r n'ont jamais été produits sur Terre. Les chercheurs connaissent peu leurs propriétés, telles que leur masse atomique, leur demi-vie, etc.
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Une explication à des phénomènes inhabituels ?
Le modèle de jet de haute énergie proposé par l'équipe pourrait contribuer à expliquer l'apparition des kilonovas – une lueur de rayonnement électromagnétique optique et infrarouge – associée aux sursauts gamma de longue durée. Les kilonovas ont été principalement associées à la collision de deux étoiles à neutrons ou à la fusion d'une étoile à neutrons et d'un trou noir.
Ces collisions intenses constituent une méthode possible pour confirmer par l'observation les usines cosmiques de formation des éléments lourds. La dissolution des étoiles par jet de photons de haute énergie offre une origine alternative à la production d'éléments lourds et aux kilonovas qu'ils pourraient fabriquer, une possibilité jusqu'alors inconnue de l'effondrement des étoiles.
De même, des scientifiques ont observé du fer et du plutonium dans des sédiments des grands fonds marins. Après étude, il a été confirmé que ces dépôts proviennent d'origine extraterrestre. Cependant, comme pour les phénomènes à l'origine des kilonovas, la localisation précise de l'événement cosmique reste incertaine. Le scénario du jet à haute énergie du collapsar représente une possibilité intrigante comme source de ces éléments lourds découverts sous la mer.
Pour mieux comprendre le cadre proposé, Mumpower et son équipe espèrent effectuer des simulations sur leurs modèles, notamment sur la microphysique complexe.
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RESUME
Un nouveau cadre suggère que les étoiles se dissolvent en neutrons pour former des éléments lourds.
Comprendre l'origine des éléments lourds du tableau périodique est l'un des problèmes ouverts les plus complexes de la physique. En cherchant des conditions propices à la formation de ces éléments par « nucléosynthèse », une équipe du Laboratoire national de Los Alamos explore des domaines où aucun chercheur n'est jamais allé auparavant : le jet de sursaut gamma et le cocon environnant émergent de c.
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COMMENTAIRES
Je reconnais que la présene des éléments lourds de la classification périodique restait un probleme car la nucleosynthèse s arrette au fer 56 .Ils
etaient donc suposés sortir de phénomçnes de spallation
E t comme mes plus jeunes émèves vont me demander quel genre de sens ce terme a je précise :Quelle est la signification de la spallation ?
Spallation -????
La spallation est un processus par lequel des fragments de matière (éclats) sont éjectés d'un corps sous l'effet d'un impact ou d'une contrainte . En mécanique de l'impact, elle décrit l'éjection de matière d'une cible lors de l'impact d'un projectile.
Les éléments lourds se formeraient par interaction avec ces ''débris'' trés énergétiques et une phase de '' capture rapide'' de neutrons ....
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More information: Matthew R. Mumpower et al, Let There Be Neutrons! Hadronic Photoproduction from a Large Flux of High-energy Photons, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adb1e3
Journal information: Astrophysical Journal
Provided by Los Alamos National Laboratory
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