La nucléosynthèse stellaire

La nucléosynthèse stellaire

Les étoiles massives jouent un rôle essentiel dans l’évolution chimique du cosmos. En effet, après le Big Bang, l’Univers n’est constitué que de deux éléments chimiques : l’hydrogène et l’hélium. S’il en restait à ce stade, il serait bien morne, aucune chimie ne se développerait, aucune planète ne pourrait se former et la vie ne pourrait pas naître.

Les étoiles peu massives essayent de remédier à ce problème en produisant quelques éléments plus lourds comme le carbone ou l’oxygène et en les éjectant vers l’espace par l’intermédiaire des vents stellaires et des nébuleuses planétaires. Leur influence est cependant limitée, du fait du petit nombre d’éléments créés et de la masse relativement faible mise en jeu.

La nébuleuse N 70 dans le Grand Nuage de Magellan. Il s’agit d’une énorme bulle de gaz interstellaire, de 300 années-lumière de diamètre, engendrée par le vent stellaire d’étoiles massives et par des explosions de supernova. Crédit : ESO/VLT

Le rôle majeur dans la création des éléments chimiques revient aux étoiles massives qui sont le siège d’une succession de réactions nucléaires de plus en plus complexes qui aboutissent à tous les éléments plus légers que le fer, par exemple le silicium, le soufre ou le cuivre. Mais ces étoiles ne se contentent pas de produire des éléments lourds, elles se chargent aussi de les distribuer lors de leur explosion finale en supernova, lorsque l’enveloppe riche en éléments nouveaux est déchirée et expulsée vers l’espace interstellaire.

Ainsi, génération après génération, les étoiles massives enrichissent peu à peu l’Univers en éléments lourds, lui permettent de développer une chimie complexe et lui donnent l’opportunité de créer la vie.

Les éléments plus lourds que le fer

Les étoiles massives ne se limitent pas à produire des éléments chimiques plus légers que le fer. Elles vont en fait être à l’origine de tous les autres éléments que nous connaissons. Les réactions nucléaires en leur sein produisent non seulement de l’énergie, mais aussi diverses particules, en particulier des neutrons.

Les neutrons ne portent pas de charge électrique et ne sont pas soumis à la répulsion électrique des autres noyaux atomiques. Ils peuvent donc facilement se coller à d’autres noyaux et augmenter leur masse. Si l’ensemble ainsi créé n’est pas stable, il va se transmuter et donner naissance à un nouvel élément atomique. C’est grâce à ce processus, appelé la capture lente de neutrons, que sont produits certains éléments plus lourds que le fer comme par exemple l’étain ou le mercure.

Pour aller encore plus loin et créer les éléments les plus lourds, il faut avoir recours à la capture rapide de neutrons. Celle-ci se produit au moment même de l’explosion de la supernova. Lorsque les couches internes de l’enveloppe s’écrasent sur le noyau stellaire, elles sont soumises à une très forte température et pression. Ces conditions donnent lieu à de nombreuses réactions nucléaires et donc à la production de neutrons en grandes quantités.

Les noyaux atomiques sont alors confrontés à un fort flux de neutrons. Ils sont obligés d’en absorber plusieurs à la fois avant de pouvoir se transmuter, d’où l’apparition d’éléments encore plus lourds que les précédents, par exemple le platine et l’or.

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