Les physiciens commencent à comprendre comment les étoiles forment des atomes lourds

Au Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), un laboratoire niché à l’Université d’État du Michigan, on tente de percer le secret de la genèse des éléments lourds, ceux qui dépassent le fer dans la table périodique. Si la naissance des éléments légers lors du Big Bang et leur transformation jusqu’au fer par fusion nucléaire dans le cœur des étoiles sont désormais bien comprises, le mystère demeure pour les éléments plus lourds comme le zinc, le plomb, le barium ou l’or.

Les trois voies de la création des éléments lourds

Au fil des décennies, les physiciens ont identifié trois grands processus astrophysiques à l’origine de ces éléments :

- Le processus lent (s-process) : Il se déroule dans les étoiles géantes rouges, où les noyaux atomiques capturent des neutrons à un rythme modéré, sur des milliers d’années, menant à la création d’éléments stables comme le barium. Ce mécanisme s’active dans les couches internes des étoiles en fin de vie, lors de phases d’intense mélange et de richesse en neutrons.

- Le processus rapide (r-process) : Ici, tout s’accélère. Dans des environnements extrêmes, tels que la collision de deux étoiles à neutrons, les noyaux capturent une multitude de neutrons en quelques secondes, forgeant des éléments précieux comme l’europium, l’or ou le platine. Ce processus, bien que théorisé depuis longtemps, n’a été que récemment confirmé par l’observation de signatures chimiques dans les débris de telles collisions.

- Le processus intermédiaire (i-process) : Longtemps resté hypothétique, ce mécanisme se situe entre les deux précédents. Il fut imaginé dans les années 1970 par John Cowan, mais ce n’est que récemment que les astrophysiciens ont commencé à en retrouver la trace dans certaines étoiles anciennes, dites " riches en carbone et pauvres en métaux ", dont la composition ne correspondait ni au s-process ni au r-process. Le i-process pourrait se produire dans des géantes rouges " ressuscitées " ou des naines blanches accrétant la matière de leur compagne stellaire.

L’expérimentation terrestre : FRIB à la pointe

Au FRIB, les chercheurs reproduisent ces conditions cosmiques. Ils accélèrent des noyaux à des vitesses vertigineuses, les font percuter des cibles, et observent la naissance d’isotopes rares, instables, identiques à ceux produits dans les étoiles. Grâce à des détecteurs sophistiqués, ils mesurent la capture de neutrons et la désintégration des noyaux, décryptant ainsi la chaîne des réactions nucléaires du i-process. Ce travail permet d’affiner les modèles théoriques et de comparer les abondances d’éléments simulées à celles observées dans les étoiles anciennes.

Vers la résolution d’un mystère cosmique

Les résultats obtenus au FRIB marquent une avancée majeure : les ratios d’éléments produits en laboratoire coïncident avec ceux relevés dans les étoiles énigmatiques du halo galactique. Il reste toutefois à déterminer précisément dans quels types d’astres le i-process se déroule : géantes rouges ou naines blanches ? Les prochaines années verront l’étude de nouveaux isotopes et le développement de modèles tridimensionnels plus précis pour trancher cette question.

Parallèlement, l’équipe du FRIB se prépare à s’attaquer au r-process, encore plus difficile à reproduire, mais essentiel pour comprendre l’origine des métaux précieux de notre univers.

Conclusion

Ce récit met en lumière la quête humaine pour retracer notre héritage cosmique, révélant comment, à travers l’alchimie des étoiles et la rigueur des laboratoires, nous déchiffrons peu à peu l’histoire secrète des atomes qui composent notre monde.