La fission cosmique : une nouvelle perspective sur la création des éléments lourds

La création des éléments plus lourds que le fer dans le tableau périodique a longtemps été attribuée à des explosions cataclysmiques, comme la fusion de deux étoiles à neutrons ou à des classes rares de supernovæ. Une nouvelle recherche suggère pourtant que la fission pourrait jouer un rôle dans l’univers lors de la création de ces éléments lourds.

Cette découverte pourrait changer notre compréhension de la formation des éléments et ouvrir de nouvelles voies de recherche en physique nucléaire.

En examinant les données sur une variété d’éléments présents dans des étoiles très anciennes, les chercheurs ont découvert une signature potentielle de la fission. Cela indique que la nature est susceptible de produire des noyaux superlourds au-delà des éléments les plus lourds du tableau périodique.

« On pensait que la fission se produisait dans l’univers, mais jusqu’à présent, personne n’a pu le prouver », a déclaré Matthew Mumpower, physicien théoricien au Los Alamos National Laboratory et co-auteur d’un article dans Science présentant la recherche.

En utilisant les dernières observations, Matthew Mumpower et son équipe ont trouvé une corrélation entre les métaux de précision légers comme l’argent et les noyaux de terres rares comme l’europium. Lorsque l’un de ces groupes d’éléments augmente, les éléments correspondants dans l’autre groupe augmentent également – la corrélation est positive.

« La seule façon plausible que cela puisse se produire parmi différentes étoiles est s’il y a un processus cohérent opérant lors de la formation des éléments lourds », a indiqué Matthew Mumpower. L’équipe a testé toutes les possibilités et la fission était la seule explication capable de reproduire la tendance.

La recherche indique également que des éléments avec une masse atomique (le nombre de protons plus neutrons) de 260 – plus lourds que ceux répertoriés à l’extrémité supérieure du tableau périodique – pourraient exister.

Matthew Mumpower a développé les modèles de fission utilisés pour prédire et guider les résultats observationnels, qui ont été dirigés par l’auteur de l’étude, Ian Roederer de l’Université d’État de Caroline du Nord.

Les astrophysiciens ont longtemps cru que les éléments lourds au-delà du fer étaient formés dans des explosions stellaires appelées supernovæ ou lorsque deux étoiles à neutrons fusionnaient. Que certains deviennent trop lourds pour rester ensemble et se divisent, ou fissionnent, formant deux atomes d’éléments plus légers mais toujours lourds (et libérant une énergie énorme) est resté un mystère pendant un demi-siècle.

« Nous avons montré qu’un seul mécanisme peut être responsable – la fission – et les gens se creusent la tête à ce sujet depuis les années 1950 », a précisé Matthew Mumpower.

« Au Los Alamos, nous avons développé des modèles de fission nucléaire parce que nous ne pouvons pas mesurer tout ce qui est pertinent pour la recherche sur les armes dans le cadre de la mission du laboratoire », a encore déclaré le Physicien.

Les modèles permettent aux physiciens d’interpréter les expériences et de combler les lacunes lorsque les mesures font défaut. Depuis que les États-Unis ont arrêté les essais d’armes nucléaires en 1992, les données expérimentales sur la fission ont été limitées.

« Les modèles fonctionnent exceptionnellement bien par rapport aux données mesurées et donnent donc du crédit à leurs extrapolations là où il n’y a pas de mesures. Les entrées nucléaires des espèces à courte et longue durée de vie sont nécessaires pour les études de formation d’éléments lourds », a conclu Matthew Mumpower.

Les rendements de la fission sont les produits du processus de division d’atomes relativement lourds en atomes plus légers – le même processus utilisé dans les armes et les réacteurs nucléaires.

En synthèse

La découverte de la signature potentielle de la fission dans l’univers ouvre une nouvelle perspective sur la création des éléments lourds. Cette recherche suggère que la nature est susceptible de produire des noyaux superlourds au-delà des éléments les plus lourds du tableau périodique. Les modèles de fission développés par l’équipe de recherche ont permis de prédire et de guider les résultats observationnels, confirmant une théorie proposée il y a plusieurs années.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la fission ?

La fission est le processus par lequel un noyau atomique lourd se divise en deux ou plusieurs noyaux plus légers, libérant une grande quantité d’énergie.

Qu’est-ce que le r-processus ?

Le r-processus, ou processus de capture rapide de neutrons, est un mécanisme de création d’éléments lourds dans lequel les noyaux atomiques capturent rapidement des neutrons pour former des éléments plus lourds.

Qu’est-ce que cela signifie que la fission se produit dans l’univers ?

Cela signifie que la fission, un processus que nous connaissons bien sur Terre, se produit également dans l’espace, contribuant à la création d’éléments lourds dans l’univers.

Quelle est l’importance de cette découverte ?

Cette découverte pourrait changer notre compréhension de la formation des éléments et ouvrir de nouvelles voies de recherche en physique nucléaire.

Quelles sont les implications de cette recherche ?

Les implications de cette recherche sont vastes, allant de la compréhension de la formation des éléments dans l’univers à l’exploration de nouvelles voies pour la recherche en physique nucléaire.

Références

Légende illustration : La fusion de deux étoiles à neutrons est l’un des principaux sites candidats à la synthèse des éléments les plus lourds du tableau périodique par le processus de capture rapide des neutrons. L’image montre deux étoiles à neutrons entrant en collision et libérant des neutrons que les noyaux radioactifs capturent rapidement. La combinaison de la capture de neutrons et de la désintégration radioactive produit ensuite des éléments plus lourds. L’ensemble du processus se déroulerait en une seule seconde. Credit: Los Alamos National Laboratory (Matthew Mumpower)

L’article : “Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium.” Science. DOI: 10.1126/science.adf1341