Les étoiles au plomb Cauchemar d'alchimiste, Rêve d'astronome

1. ALTAIR 27 novembre 2004 Les étoiles au plombCauchemar d'alchimiste, Rêve d'astronome « Comment en un plomb vil l'or pur s'est-il changé ? » Racine, J. : 1691, Athalie, III, 7

2. Alchimie " Sous l'action des astres, les métaux vils deviennent des métaux purs; mais ce travail, qui s'effectue au sein de la terre, est très lent. L'alchimiste cherchera, dans son laboratoire, à reduire le laps de temps nécessaire à ces transformations. "Par la résolution des mixtes, séparer le pur de l'impur". " "Le plomb renferme beaucoup de terre: il est opaque et gris foncé; l'or contient beaucoup moins de terre et un peu de feu qui le colore." Des alchimistes aux briseurs d'atomes, Rassenfosse et Guében, 1928 Paracelse décrit minutieusement la Pierre philosophale, qu' il a vue semblable à un rubis foncé. Cosme Ier de Médicis paye 20 000 ducats la recette de la transmutation du plomb en or, recette qu'il avait expérimentée et reconnue exacte. Helvétius, Spinoza, Newton, ...

3. Sommaire De quoi sont faites les étoiles? D'où tirent-elles leur luminosité? Les constituants de la matière Quelques processus de nucléosynthèse Big Bang les différentes phases de combustion les processus r et s L'évolution stellaire le diagramme de Hertzsprung-Russell Le processus s: des preuves: Tc, étoiles à Ba, étoiles S une prédiction testable: l'existence d'étoiles au plomb vérification de cette prédiction à la recherche de bonnes candidates observations résultats Conclusion

4. De quoi sont faites les étoiles? • 1802: William Wollaston (1766 - 1828) remarque que le spectre du soleil comporte des raies obscures. Attribue ces raies à des séparations naturelles entre les couleurs. • 1814: Fraunhofer observa 600 raies dans le spectre solaire et mesura la longueur d'onde de 324 raies. • 1864: Huggins fit correspondre certaines de ces raies observées dans les étoiles avec des raies de substances observées en labo, démontrant que les étoiles sont faites de matière "normale"

5. Le spectreélectromagnétique

6. Spectroscopie Spectre continu Spectre en absorption Spectre en émission Hélium Oxygène

7. Spectroscopie Spectre d'une étoile Le spectre du soleil Fraunhofer (1817) Spectre du soleil

8. Sources d'énergie stellaire Sources d'énergie stellaire (suite) • Chimique ? • Energie du lien chimique ≈ 100 kJ / mole • 1 mole = Avogadro particules = 6.02  1023 particules • Une particule moyenne <A> ≈ 50 u.m.a. • (1 u.m.a. = 1 unité de masse atomique = 1/12 masse de 12C) • possède une énergie chimique ≈ 100 kJ / 50g ≈ 2000 J/g • L'énergie libérée sera: Echim = 2000J/g  M • Luminosité du soleil = L = 3.9  1026 J / s • La durée de vie du soleil serait donc: • Kelvin Helmholtz = Echim / L≈ 1010 s ≈ 300 ans •  impossible

9. Sources d'énergie stellaire (suite) " Si le soleil était composé de charbon de terre massif brûlant dans l'oxygène pur, il ne pourrait brûler pendant plus de six mille ans sans être entierement consumé: il serait donc éteint depuis l'origine des temps historiques " Camille Flammarion, Astronomie Populaire (1879) Helmoltz 1854  contraction gravitationnelle

10. Gravitationnelle? Ordre de grandeur de l'énergie gravitationnelle: Eg ≈ -G M2/R Eg = -(Ef-Ei) = énergie rayonnée pendant l'effondrement Supposons Ri >> Rf alors Eg ≈ -Ef ≈ G M2/R ≈ 4  1041 J (avec  = soleil) Luminosité du soleil = L = 3.9  1026 J / s La durée de vie du soleil serait donc:  Kelvin Helmholtz = Eg / L≈ 1015 s ≈ 30 millions d'années or l'âge de la terre est déjà de 4.6 milliards d'années  impossible

11. Sources d'énergie stellaire (fin) Nucléaire ? Combustion de l'hydrogène en hélium: 4p  4He libère 26.71 MeV = 4.27  10-12 J par réaction (1 eV = 1.6  10-19 J ; 1 MeV = 1 million d'eV) soit 4.27  10-12 J par 4 u.m.a. formées soit 4.27  10-12 J  Avogadro /4 J / g ≈ 6.43  1011 J/g En supposant que seulement 10% de la masse solaire participe à la fusion nucléaire, l'énergie libérée sera: Enuc = 6.43  1011 J/g  0.1  M Le temps de vie du soleil est:  nucléaire = Enuc / L≈ 3 1017 s ≈ 10 milliards d'années  la source d'énergie stellaire doit être nucléaire ( et principalement assurée par la combustion d'hydrogène en hélium)

12. Les constituants de la matière • Les constituants de la matière: • ELECTRONS: chargés négativement • PROTONS: 1836 fois la masse de l'électron; chargés positivement. Nombre de protons: Z • neutrons: environ la même masse que le proton; non chargés. Nombre de neutrons: N

13. Les atomes • Les protons et neutrons s'associent en nombre à peu près égal (stabilité) pour former un noyau nucléaire • Autour du noyau orbitent un nombre d'électrons égal au nombre de proton (neutralité électrique) • Le tout forme un atome, caractérisé par le nombre de protons Z du noyau

14. Les éléments chimiques • Le nombre de protons va fixer les propriétés microscopiques de l'atome: capacité de se lier avec d'autres atomes, interaction avec la lumière, facilité à perdre / gagner des électrons, etc. • Quand une quantité énorme d'atomes de même type est réunie, les propriétés microscopiques de l'atome se traduisent par des caractéristiques macroscopiques: état gazeux, liquide ou solide à une température donnée, couleur, consistance, viscosité / dureté

15. Carte de Segrè des nucléides

16. Carte de Segrè des nucléides

17. La nucléosynthèse Nucléosynthèse = synthèse des noyaux La théorie de la nucléosynthèse explique l'origine et les abondances relatives des éléments chimiques dans l'Univers Courbe d'abondance des élémentschimiques et de leurs isotopes dans le système solaire: • roches terrestres • météorites: chondrites carbonées, météorites primitives représentatives de la composition chimique de la nébuleuse protosolaire • spectroscopie solaire et stellaire  La courbe d'abondance est universelle ! roches terrestres ≈ météorites ≈ Soleil ≈ étoiles à quelques exceptions près: • Li, Be, B solaire ≠ Li, Be, B météoritique • météorites pauvres en éléments volatils (He) • différences étoiles - soleil (évolution stellaire, évolution chimique de la Galaxie) •  La similitude de la composition des objets de l'univers suggère une parenté commune pour l'ensemble des noyaux atomiques

19. Energie de liaison La masse d'un noyau est toujours inférieure à la somme des masses de ses constituants: Défaut de masse = (Z Mp + N Mn) - Mnoyau (Rappel: noyau = A nucléons dont Z protons et N neutrons) Formation du noyau à partir de ses constituants (neutrons et protons): qu'est devenu cette masse manquante?  Libérée sous forme d'énergie (rayon gamma): E = m c2 Energie de liaison du noyau = c2 [(Z Mp + N Mn) - Mnoyau] C'est aussi l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour le briser en ses constituants (neutrons et protons).

21. Similarités entre la courbe d'abondance universelle et la courbe de l'énergie de liaison par nucléon  la proportion des éléments de l'univers reflète des mécanismes nucléaires • environnements très chauds/ particules très énergétiques • Big Bang • Etoiles Dès 1920: Arthur Eddington suggère que les étoiles tirent leur énergie de la fusion de l'hydrogène en hélium (controverse: Perrin?)

22. Preuve supplémentaire En 1952, Merrill observe du technétium à la surface d'étoiles S Or tous les isotopes du technétium sont instables (radioactifs) Durées de vie inférieures à quelques millions d'années, donc bien inférieures à l'âge de l'univers. une nucléosynthèse a lieu dans les étoiles

23. Technétium: radioactif  si une étoile a du Tc, alors elle est en train d'en fabriquer.

24. Les grandes classes de processus de nucléosynthèse La nucléosynthèse primordiale (Big Bang) • t = 1 minute: protons, neutrons, electrons, photons, neutrinos • t = 1- 4 minutes: T< 109 K: deuterium (1%), 3He, 4He (24%), Be, 7Li à partir des protons primordiaux • t >5 minutes: T,P trop basse, la nucléosynthèse s'arrête. L'univers est alors composé de 76% (en masse) d'hydrogène, 24% d'hélium et de traces de 2H, 3He, Be, 7Li. (succès du Big Bang)

25. Nucléosynthèse du big bang

26. Combustion de H : • cycle pp (prédominante ) • cycle CNO (nucléosynthèse: 14N) NB: Dans les 2 cas, après combustion de l'H, l'étoile a libéré 6 MeV par proton converti en 4He. Or le réservoir d'énergie nucléaire est 8.6 MeV (énergie de liaison du fer).  il ne reste plus à l'étoile que 2.6 MeV

27. combustion de l'hydrogène

28. Combustion de He: réaction triple alpha: 4He + 4He  8Be prod. d'énergie: 0.7 MeV/nucléon 8Be + 4He  12C +  durée: 1/2 million d'années (25 M) 12C + 4He  16O +  nucléosynthèse: 12C, 16O T ≈ 100-200 millions de degrés Dès 1952, prédiction par Fred Hoyle du niveau du 12C à 7.6 MeV

29. Combustion de l'hélium

30. Fred Hoyle - structure et évolution stellaire, nucléosynthèse - étude du processus triple alpha (combustion de He), et, pour expliquer l'abondance de carbone dans la nature, prédiction d'un niveau excité du 12C, plus tard confirmée par l'expérience par les physiciens nucléaires de Caltech. Lien controversé avec le principe anthropique. - article B2FH - adversaire du Big Bang, partisan de la création continue - partisan de la panspermie - condamnation du fait que Jocelyn Bell n'ait pas obtenu le prix Nobel pour la découverte des pulsars en même temps que son directeur de thèse Antony Hewish - auteur de livres de science-fiction (Le nuage noir)

31. combustion du carbone 12C + 12C  20Ne + 4He (50%)  23Na + p (50%) durée: 600 ans (25 M)  23Mg + n (rare) nucléosynthèse: 20Ne, 23Na combustion du néon durée: 1 an (25 M) nucléosynthèse: 16O, 24Mg combustion de l'oxygène durée: 6 mois (25 M) nucléosynthèse: divers noyaux Mg  Ar combustion S-Mg-Si durée: 1 jour (25 M)

36. La nucléosynthèse explosive Lors des explosions de type novae (cycle CNO chaud) Lors des explosions de type supernovae La catastrophe du fer T ≈ 5 milliards de degrés : photodésintégration du fer Ni, Fe  , n  p, n  contraction gravitationnelle  T   photodésintégrations + rapides  implosion du coeur de Fer ?? explosion des couches externes  supernova équilibre nucléaire statistique processus très endothermique: -2.2 MeV/n

38. La nucléosynthèse explosive Lors des explosions de type supernovae Processus r (« rapid ») capture rapide de neutrons les isotopes instables n'ont pas le temps de se désintégrer avant de capturer un nouveau neutron production d'éléments plus lourds que le fer (isotopes riches en neutrons) Processus p (photo-émissions de neutrons) -> production d'éléments plus lourds que le fer (isotopes riches en protons)

39. La nucléosynthèse non explosive Auxiliaire aux cycles de production d'énergie -> Processus s (« slow ») capture lente de neutrons tout isotope instable se désintègre avant de capturer un nouveau neutron production d'éléments plus lourds que le fer (isotopes proches de la vallée de stabilité, jusqu'au 208Pb et 209Bi) Ex: 56Fe 57Fe 58Fe 59Fe (captures de neutrons sur noyaux stables) puis: 59Fe 59Co + e- + e(désintegration beta -)

41. La nucléosynthèse par spallation dans le milieu interstellaire et/ou à la surface d'étoiles actives (flares stars) collision de particules du rayonnement cosmique ou de particules accélérées dans les "flares" (protons, He), suffisamment énergétiques pour casser les noyaux de C,N,O production de Li, Be, B NB: également production de Li dans les enveloppes d'étoiles géantes de type asymptotique.

44. Démarche historique 1920: Arthur Eddington suggère que les étoiles tirent leur énergie de la fusion de l'hydrogène en hélium. Querelle Perrin (1919) 1928: George Gamow (1904-1968) introduit le facteur de Gamow (formule donnant la probabilité d'une réaction nucléaire). Fameux article "Alpher-Bethe-Gamow". Echec de Gamow pour élaborer les éléments plus lourds que l'hélium lors du Big Bang. 1938: Hans Bethe décrit les différentes possibilités de combustion de l'hydrogène en hélium et sélectionne les 2 processus à l'oeuvre dans les étoiles (cycles pp et CNO). Pense que le soleil utilise le cycle CNO. Prix Nobel 1967.

45. Jusqu'en 1957, 2 modèles cosmologiques: • - Big Bang: • expansion de l'univers: OK • origine des éléments (sauf les plus légers): problème • - état stationnaire: • création continue de matière • problème pour expliquer cette création continue, l'expansion, les galaxies... 1957: Margaret Burbidge, Goeffrey Burbidge, William Fowler et Fred Hoyle publient leur article B2FH, qui explique comment les étoiles peuvent fabriquer tous les éléments (8 processus, le 8ème étant "x-process", pour D, Li, Be, B).

47. SAD

48. L'évolution stellaire Le diagramme de Hertzsprung-Russell

50. Processus s: des preuves Technétium  99Tc fabriqué par le processus s - radioactif  si une étoile a du Tc, alors elle est en train de fabriquer des éléments par le processus s