Un laboratoire recrée une réaction d’étoile à neutron et révèle quelques secrets

Une équipe internationale dirigée par Jaspreet Randhawa de la Michigan State University a mesuré pour la première fois la réaction du cycle nickel-cuivre dans les sursauts X. Les résultats, publiés dans The Astrophysical Journal, révèlent que ce mécanisme théorique est dix fois moins efficace que prévu, ouvrant la voie à la synthèse d’éléments plus lourds que le fer dans les étoiles à neutrons.

Dans les profondeurs cosmiques où les étoiles à neutrons déchirent la matière de leurs compagnes, un verrou théorique vient de céder. Des physiciens viennent de démontrer que le cycle nickel-cuivre, longtemps considéré comme un obstacle majeur à la formation des éléments lourds, présente une efficacité bien inférieure aux prédictions. La découverte bouleverse notre compréhension de la nucléosynthèse dans les environnements les plus extrêmes de l’univers.

Une expérience contre la montre

Au laboratoire TRIUMF de Vancouver, Jaspreet Randhawa et son équipe internationale ont mené une course contre le temps. Ils ont accéléré un faisceau de cuivre-59, un isotope dont la durée de vie n’excède pas deux minutes, avant de le projeter sur une cible d’hydrogène gelé. La prouesse technique, rendue possible par l’une des rares installations au monde capable de produire des quantités suffisantes de cet isotope instable, a permis de mesurer directement la réaction clé du cycle nickel-cuivre.

Les résultats, publiés dans The Astrophysical Journal, sont sans appel : le taux de recyclage par ce mécanisme s’établit à moins de 0,1 pour cent lors des sursauts X. « Nos mesures montrent que ce blocage est beaucoup plus faible que prévu, ce qui signifie que le processus de formation d’éléments plus lourds peut se poursuivre », explique Randhawa.

Les forges stellaires revisitées

Les étoiles à neutrons représentent les vestiges ultradenses d’explosions stellaires massives. Dans les systèmes binaires, elles peuvent arracher de la matière à leur compagne, créant des conditions de température et de pression si extrêmes qu’elles génèrent des éruptions de rayons X d’une puissance colossale. Depuis des décennies, les astrophysiciens s’interrogent sur la capacité de ces environnements à synthétiser des éléments plus lourds que le fer.

Le cycle nickel-cuivre était considéré comme un point d’arrêt potentiel dans cette chaîne de production cosmique. Selon ce modèle théorique, le nickel-56 capturerait des protons pour former du cuivre-59, qui se désintégrerait ensuite en nickel-56, créant ainsi une boucle fermée empêchant la progression vers des noyaux plus massifs.

« L’univers a commencé presque entièrement avec de l’hydrogène et de l’hélium », rappelle Randhawa. « Chaque élément plus lourd — de l’oxygène que nous respirons au fer dans le noyau terrestre — a été forgé plus tard dans les étoiles et les explosions stellaires ».

La mesure expérimentale fournit les contraintes les plus solides jamais obtenues sur la réaction gouvernant le cycle nickel-cuivre. En déterminant avec précision les températures auxquelles le recyclage par le nickel-56 devient pertinent et celles permettant l’échappée vers des éléments plus lourds, les données ouvrent la voie à des modèles plus précis de la nucléosynthèse dans les environnements extrêmes.

Perspectives de recherche

La faiblesse du cycle nickel-cuivre relance la question de l’origine des éléments lourds au-delà du fer dans l’univers. Si ce verrou s’avère moins efficace que prévu, d’autres mécanismes doivent être réévalués pour expliquer l’abondance observée de ces éléments.

Cette découverte montre combien la physique nucléaire expérimentale et l’astrophysique théorique s’enrichissent mutuellement. En testant en laboratoire des processus qui se déroulent à des années-lumière, les scientifiques déverrouillent peu à peu les secrets de la formation des éléments, révélant comment la matière ordinaire évolue depuis le Big Bang jusqu’aux planètes habitables.

The Astrophysical Journal, DOI : 10.3847/1538-4357/ae3de6/meta.