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Des neutrinos confirment l’origine de l’énergie des étoiles

Juin 27, 2020 | economie | 0 commentaires



Des neutrinos confirment l'origine de l'énergie des étoiles

L’astrophysique nucléaire et l’astronomie neutrino viennent de remporter un succès de plus. Après plusieurs années de patientes observations du flux de neutrinos solaires par l’expérience Borexino en Italie, les physiciens ont pu vérifier les dernières prédictions concernant les réactions thermonucléaires faisant briller notre Soleil. Ils mesurent l’effet du cycle CNO qui fait briller non seulement le Soleil mais aussi et surtout d’autres étoiles.

Le Soleil fascine Homo sapiens depuis des millénaires au point de lui rendre un culte comme dans l’Égypte ancienne. Mais, depuis quelques siècles, certains des représentants de ce genre Homo ont entrepris de percer rationnellement les secrets du Soleil et, depuis les années 1920-1930, ils ne cessent de remporter des succès. Le dernier en date vient d’être annoncé par les membres de la collaboration Borexino à l’occasion de la XXIX Conférence internationale sur la physique et l’astrophysique des neutrinos, une conférence entièrement en ligne qui se tient sur le Web du 22 juin au 2 juillet 2020, en raison de la pandémie de coronavirus

Une astronomie neutrino pour voir au cœur des astres

Rappelons que Borexino est un détecteur de neutrinos, en fonction depuis mai 2007, situé à 1.400 mètres sous la surface de la terre dans le massif du Gran Sasso, près de Rome. Il permet d’étudier le flux de neutrinos solaires mais aussi des géoneutrinos ou ceux produits par d’éventuelles supernovae dans la Voie lactée. Comme Futura l’avait expliqué dans le précédent article ci-dessous, Borexino a permis de valider l’existence de la chaîne proton-proton (pp), et la réaction proton-électron-proton qui produit des noyaux de deutérium, une série de réactions thermonucléaires basées sur la fusion de l’hydrogène et à l’origine de plus de 98 % de l’énergie produite par le Soleil en son cœur ainsi que l’explique la vidéo ci-dessous.

Une présentation des réactions de fusion qui font briller le Soleil et les étoiles. © CEA Sciences

Ces réactions génèrent des neutrinos que l’on peut détecter sur Terre, la physique qu’elles impliquent n’est pas mystérieuse car on peut la reproduire sur Terre mais il est toujours bon de tester des théories « évidentes » car la Nature nous a plus d’une fois surprise comme le montre l’histoire de la saga du corps noir, par exemple.

Il existe une autre série de réactions découverte également au cours des années 1930 et que l’on appelle le cycle CNO car il fait intervenir des noyaux de carbone (C), azote (N) et oxygène (O). On suspectait son occurrence au cœur du Soleil mais elle ne devait fournir qu’un peu plus de 1 % de l’énergie solaire. Il n’y a que dans le cas des étoiles un peu plus massives que le Soleil, que le cycle de Bethe-Weizsäcker, comme on l’appelle du nom de ses codécouvreurs, devient la source d’énergie dominante.

Borexino a finalement permis de mettre en évidence l’existence du cycle CNO dans le Soleil, de sorte que cette dernière pièce vient compléter le puzzle concernant l’origine de son énergie et que la théorie de la structure et de l’évolution stellaire en sort renforcée, elle était déjà très solide. C’est un nouveau succès pour l’astronomie des neutrinos que rendent possibles des détecteurs géants comme IceCube, Super-Kamiokande et, bien sûr, Borexino, et qui complète idéalement les observations faites avec les ondes électromagnétiques et gravitationnelles pour faire de l’astronomie multimessager.

Olivier Drapier, chercheur au Laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique, CNRS, nous parle des neutrinos, ces particules de matière que l’on peut utiliser pour étudier les étoiles et l’Univers. © École polytechnique

Des réactions thermonucléaires complexes au cœur du Soleil

Concernant Borexino, rappelons également qu’il s’agit d’un détecteur gigogne avec, à l’extérieur, un réservoir d’eau où 200 photomultiplicateurs enregistrent les signaux induits par le passage des rares rayons cosmique ayant assez d’énergie pour traverser plus de 1.000 m de roches, photomultiplicateurs qui jouent le rôle de veto pour ces signaux parasites. En interne, une sphère d’acier, tapissée de 2.200 photomultiplicateurs, enveloppe le détecteur proprement dit, lequel est constitué de centaines de tonnes de pseudocumène (un hydrocarbure proche du benzène) conçu pour se comporter comme un scintillateur liquide du fait des interactions des neutrinos avec cette molécule. La lumière produite par les interactions est observée et mesurée par les photomultiplicateurs et ses caractéristiques renseignent sur le flux de neutrinos et l’énergie de ces particules.

Aussi bien dans le cas de la chaîne proton-proton que dans le cas du cycle CNO, il en découle un spectre d’émissions de neutrinos dont la forme est une preuve de l’occurrence de ces réactions thermonucléaires.

Des explications détaillées pour la chaîne de réaction proton-proton qui produit l’essentiel de l’énergie du Soleil. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © UNSW Physics

Il s’est révélé très difficile de mesurer la partie du spectre signant le cycle CNO car la radioactivité de l’isotope bismuth 210, bien que faible, est inévitablement présente dans la structure du détecteur.

En bonus, détecter le signal du cycle CNO introduit des contraintes sur la composition et la structure du Soleil qui dépendent en particulier de son contenu en « métaux », ce qui, dans le jargon des astrophysiciens, indique la présence d’éléments plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, les constituants largement dominant du Soleil. La « métallicité » influe sur le transfert radiatif dans une étoile comme le Soleil où seule une fraction de ses couches extérieures est dans un état convectif, le reste du transfert de chaleur étant radiatif. Or le taux des réactions nucléaires, en particulier CNO, est très sensible à la température, de sorte que le flux de neutrinos permet de poser des contraintes sur la température au cœur du Soleil.

Contrairement à des études précédentes suggérant que la métallicité est différente entre le cœur et la surface de notre étoile, les données de Borexino indiquent qu’elles sont similaires. Voilà de quoi aussi poser des contraintes sur la naissance du Soleil alors que la formation des planètes devait appauvrir en éléments « métalliques » le flux de matière qui continuait à s’accréter sur le Soleil.

Nous savons que le cycle CNO est bien présent au cœur du Soleil mais c’est dans les étoiles plus massives qu’il devient dominant. Voici des explications détaillées pour ce cycle. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © UNSW Physics

Ce qu’il faut retenir

  • Il n’y a pas de doute que ce sont des réactions thermonucléaires faisant intervenir la fusion des noyaux qui font briller les étoiles et donc bien sûr le Soleil.
  • Au cours des années 1930, deux grandes classes de ces réactions ont été découvertes théoriquement, celle dite de la chaîne proton-proton, qui produit l’essentiel de l’énergie du Soleil et le cycle CNO, encore dit de Bethe-Weizsäcker qui est dominant dans des étoiles plus massives que le Soleil.
  • Ces réactions produisent un spectre de neutrinos que peut observer le détecteur Borexino.
  • Il avait déjà permis de vérifier l’occurrence de la chaîne pp et maintenant il confirme, bien qu’elle soit largement minoritaire, l’occurrence du cycle CNO au cœur de notre étoile.

Borexino détecte la synthèse du deutérium dans le Soleil

Article de Laurent Sacco publié le 14/02/2012

L’astrophysique nucléaire vient de remporter un succès de plus. Après plusieurs années d’observations patientes du flux de neutrinos solaires par l’expérience Borexino en Italie, les physiciens ont pu vérifier certaines des prédictions concernant les réactions thermonucléaires faisant briller notre Soleil. Ils mesurent en particulier directement l’effet de la synthèse du deutérium.

Depuis au moins le XVIIIe siècle, les physiciens réfléchissaient à la nature de la source d’énergie faisant briller le Soleil et les étoiles, lorsque la solution a enfin été trouvée pendant les années 1930. Il a fallu pour cela attendre la découverte des principes de la théorie quantique et le développement de la physique nucléaire. Entretemps, plusieurs hypothèses avaient réfutées, comme celle de réactions de combustion chimique (proposée par Kant), ou encore la libération de l’énergie gravitationnelle par contraction. Ce mécanisme proposé par Kelvin et Helmholtz ne permet de rendre compte que de la luminosité des protoétoiles. C’est à Hans Bethe essentiellement que l’on doit la découverte des réactions de fusion thermonucléaire, s’accompagnant de désintégrations radioactives avec émission de neutrinos, à l’origine de l’énergie des étoiles. Bethe est en particulier le découvreur de la chaîne proton-proton faisant briller le Soleil qui, après une cascade de réactions, conduit à la production de noyaux d’hélium 4 à partir de noyaux d’hydrogène.

On pense que si la chaîne proton-proton est la réaction dominante de production d’énergie de notre étoile, s’y ajoute une réaction proton-électron-proton qui produit des noyaux de deutérium. Si le Soleil était plus massif, un cycle de réactions proposées indépendamment par Bethe et Von Weizsäcker tiendrait une place importante : le cycle CNO. Il est probablement présent dans notre étoile mais contribue peu à sa production d’énergie.

Mais comment en être sûr ? On ne peut évidemment pas envoyer un détecteur de particules dans le noyau du Soleil pour vérifier que tout se passe conformément à la théorie.

Cela serait de plus inutile car les neutrinos découverts théoriquement par Pauli au début des années 1930, et dont on ne sait toujours pas s’ils peuvent parfois être transluminiques, sont très pénétrants. Alors que l’opacité solaire impose un temps moyen d’environ 1 million d’années pour que le rayonnement photonique produit par les réactions thermonucléaires dans le noyau du Soleil rejoigne la surface de notre étoile, les neutrinos s’en échappent sans encombre.

On peut enregistrer ces neutrinos sur Terre et, surtout, mesurer leur spectre en énergie. Ce flux peut être prédit en fonction du type de réaction thermonucléaire dans le Soleil et en le comparant aux observations, on peut tester les théories sur la structure solaire.

La lumière des neutrinos solaires en Italie

De fait, depuis des années, les physiciens membres de la collaboration Borexino mesurent ce flux. Borexino est un détecteur rempli d’un liquide scintillateur très pur enterré sous le Gran Sasso en Italie. Il côtoie donc Opera.

De 2007 à 2010, les chercheurs avaient déjà mesuré un flux de neutrinos à basse énergie qui était la signature de la conversion du béryllium 7 en lithium 7. Ces neutrinos ont une énergie bien définie de 0,86 MeV. Il était déjà difficile de s’isoler suffisamment du bruit de fond des désintégrations radioactives en réduisant celui du détecteur lui-même d’au moins 10 ordres de grandeur. Mais les physiciens annoncent aujourd’hui dans un article publié sur arxiv avoir fait encore mieux.

En affinant les techniques d’analyse, ils ont eu accès à un flux de neutrinos encore plus faible, celui des neutrinos à 1,44 MeV correspondant à la réaction « pep ». Il s’agit de la combinaison d’un proton et d’un électron qui se transforme en neutron par un processus de radioactivité bêta inverse, suivie d’une capture de ce neutron par un proton pour former un noyau de 2H. En résumé, c’est la mise en évidence de la réaction de synthèse du deutérium dans le Soleil. Elle apparaît conforme aux modèles théoriques, en tenant compte bien évidemment des oscillations des neutrinos solaires.

Les physiciens vont continuer à améliorer la sensibilité du détecteur. D’ici 3 ans, ils espèrent avoir collecté suffisamment de données pour mettre en évidence un cycle CNO dans le Soleil.

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Quels atomes notre Soleil fabrique­-t-­il ?  Stefano Panebianco, ingénieur de recherche au CEA, nous parle de l’astrophysique nucléaire des étoiles et dans cette vidéo en particulier, des réactions de fusions principales qui font briller le Soleil. Elles conduisent à la synthèse de noyaux. 

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