Le DOE explique… La nucléosynthèse

La nucléosynthèse est la création de nouveaux noyaux atomiques, les centres des atomes qui sont constitués de protons et de neutrons. La nucléosynthèse s’est produite pour la première fois quelques minutes après le Big Bang. À ce moment-là, un plasma quark-gluon, une soupe de particules appelées quarks et gluons, s’est condensé en protons et en neutrons. Après un léger refroidissement de l’univers, les neutrons ont fusionné avec les protons pour former des noyaux de deutérium, un isotope de l’hydrogène. Les noyaux de deutérium se sont ensuite combinés pour former de l’hélium. D’autres réactions entre protons, neutrons et différents isotopes de l’hélium ont produit du lithium. L’hydrogène et l’hélium produits pendant cette phase de l’univers ont fini par créer les premières étoiles massives de l’univers.

Depuis, les réactions nucléaires dans la vie et la mort des étoiles ont formé la plupart des autres noyaux de l’univers. Les étoiles peuvent créer des noyaux par deux processus : soit en combinant deux noyaux plus petits (appelé fusion), soit en cassant un noyau plus grand en plusieurs noyaux (appelé fission). Les deux façons donnent lieu à de nouveaux atomes.

Dans le passé, ces processus ont également produit les éléments du tableau périodique que nous connaissons aujourd’hui. Les étoiles de différents types produisent des noyaux de différents éléments, ce qui a conduit au fil du temps à la gamme des éléments naturels. Les premières étoiles de l’univers étaient massives, souvent plus de 10 fois la taille de notre Soleil. Elles avaient également une durée de vie beaucoup plus courte que les étoiles qui ont existé plus récemment. Au cours de leur vie, elles ont brûlé de l’hydrogène et produit les éléments jusqu’au fer dans le tableau périodique. Lorsqu’elles mouraient, elles éjectaient les noyaux de ces éléments dans un type d’explosion appelé supernova à effondrement du noyau. Les supernovae peuvent laisser derrière elles des étoiles à neutrons. Lorsque les étoiles à neutrons fusionnent, elles produisent de nouveaux noyaux, notamment des éléments plus lourds que le fer. D’autres étoiles deviennent des naines blanches lorsqu’elles meurent. Ces naines blanches peuvent également fusionner plus tard et synthétiser des noyaux d’éléments.

DOE Office of Science : Contributions à la nucléosynthèse

Le bureau de la physique nucléaire du DOE Office of Science soutient la recherche en astrophysique nucléaire – la physique nécessaire pour comprendre les réactions qui produisent les éléments. Deux centres d’excellence du DOE basés dans des universités, le Cyclotron Institute de l’université A&M du Texas et le Triangle Universities Nuclear Laboratory, sont spécialisés dans l’étude de l’astrophysique nucléaire. Le DOE finance également la théorie et la modélisation du Big Bang, des étoiles, des supernovae et des fusions d’étoiles à neutrons, toutes sources d’éléments. L’installation d’utilisation de l’Argonne Tandem Linac Accelerator System (ATLAS) du DOE Office of Science abrite le spectromètre le plus puissant au monde pour la recherche sur la structure nucléaire. L’Office of Nuclear Physics soutient désormais la construction de l’installation pour les faisceaux d’isotopes rares à la Michigan State University. Cet accélérateur produira des noyaux riches en neutrons à courte durée de vie et jamais vus auparavant, qui jouent un rôle dans la production des éléments les plus lourds.

Faits sur la nucléosynthèse

• Les scientifiques pensent que les éléments naturels les plus lourds, dont l’uranium, sont produits dans des environnements violents riches en neutrons, comme la fusion de deux étoiles à neutrons ou les supernovae. Dans ces conditions, les neutrons gagnent des noyaux plus rapidement qu’ils ne peuvent se désintégrer.
• Nous sommes principalement constitués de matière créée par nucléosynthèse dans des étoiles qui sont mortes depuis, ce qui a conduit à la célèbre déclaration du cosmologiste Carl Sagan selon laquelle nous sommes constitués de « matière stellaire ». »

Ressources et termes connexes

• Astrophysique nucléaire à l’université Texas A&M
• Astrophysique nucléaire au Triangle Universities Nuclear Laboratory
• Facilité pour les faisceaux d’isotopes rares à l’université d’État du Michigan
• Compréhension cosmique à partir de particules minuscules

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