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

ALTAIR 27 novembre 2004

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, 1928Paracelse 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, ...

Sommaire

De quoi sont faites les étoiles? D'où tirent-elles leur luminosité?Les constituants de la matièreQuelques processus de nucléosynthèse Big Bang les différentes phases de combustion les processus r et sL'évolution stellaire le diagramme de Hertzsprung-RussellLe 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 résultatsConclusion

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"

De quoi sont faites les étoiles?

Le spectreélectromagnétique

Hélium

Oxygène

SpectroscopieSpectre continu

Spectre en absorption

Spectre en émission

SpectroscopieSpectroscopie

Le spectre du soleil Fraunhofer (1817)

Spectre d'une étoile

Spectre du soleil

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 = 2000 J/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

Sources d'énergie stellaire

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

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

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)

Les constituants de la matière

Les constituants de la matière:

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

ELECTRONS: chargés négativement

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

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

Carte de Segrè des nucléides

Carte de Segrè des nucléides

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 éléments chimiques 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:à quelques exceptions près: Li, Be, B solaire Li, Be, B solaire ≠≠ Li, Be, B météoritique Li, Be, B météoritique météorites pauvres en éléments volatils (He)météorites pauvres en éléments volatils (He) différences étoiles - soleil (évolution stellaire, évolution chimique de la Galaxie)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

La nucléosynthèse

Energie de liaisonLa 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).

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?)

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

Technétium:radioactif

si une étoile a du Tc, alors elle est en train d'en fabriquer.

La nucléosynthèse primordiale (Big Bang)

t = 1 minute: protons, neutrons, electrons, photons, neutrinos

Les grandes classes de processus de nucléosynthèse

t = 1- 4 minutes: T< 109 K: deuterium (1%), 3He, 4He (24%), Be, 7Li à partir des protons primordiauxt >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)

Nucléosynthèse du big bang

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

combustion de l'hydrogène

Combustion de He: réaction triple alpha:

4He + 4He 8Be prod. d'énergie: 0.7 MeV/nucléon8Be + 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

Combustion de l'hélium

- 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)

Fred Hoyle

combustion du carbone12C + 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

)

La nucléosynthèse explosiveLors 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 gravitationnelleT

photodésintégrations + rapides

implosion du coeur de Fer

??explosion des couches externes

supernova

processus très endothermique: -2.2 MeV/néquilibre nucléaire statistique

La nucléosynthèse explosiveLors 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)

La nucléosynthèse non explosiveAuxiliaire 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 -)

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.

1920: Arthur Eddington suggère que les étoiles tirent leur énergie de la fusion de l'hydrogène en hélium. Querelle Perrin (1919)

Démarche historique

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.

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).

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...

SAD

Le diagramme de Hertzsprung-Russell

L'évolution stellaire

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

Processus s: des preuves

étoiles S

N=50: Sr,Y,Zr

Processus s: des preuves

Processus s: des preuves

Étoiles à baryum N=82: Ba,La,Ce

Prédiction du processus s

« Le processus s est plus efficace à faible métallicité » (Goriely & Mowlavi 1999)

atomes de fer

atomes d'hydrogène

atomes de fer

atomes d'hydrogène

Métal: tout élément susceptible d'être produit dans une étoile.Métallicité: quantité de métaux (par ex: fer) présents dans l'objet étudié.

( )( )

Étoile

Soleil

= [Fe/H]

Exemple: [Fe/H] = -1: l'étoile a 10 fois moins de métaux que le soleil[Fe/H] = -2: l'étoile a 100 fois moins de métaux que le soleil

log

Que nous apprend la métallicité ? Tous les métaux sont produits au coeur d'étoiles

A la fin de sa vie, l'étoile disperse les métaux produits au cours de sa viedans l'espace interstellaire

Nuages sombres moléculaires

Proto-étoiles

Nouvelle étoile

Cette matière « processée » se retrouve dans les nuages interstellaires ...

... à partir desquels se reforment de nouvelles étoiles

Dans un système fermé, comme notre Galaxie, les étoiles avec une métallicité plus faible (petit [Fe/H]) seront plus vieilles que les étoiles de métallicité plus grande (grand [Fe/H])

Relation âge-métallicité

Donc chaque génération d'étoiles est enrichie en métaux crées par les générations précédentes d'étoiles

Prédiction du processus s

« Le processus s est plus efficace à faible métallicité » (Goriely & Mowlavi 1999)

A faible métallicité, les étoiles enrichies en éléments s doivent contenir beaucoup de plomb

Très faible métallicité

Métallicité solaire

Plomb

N=50 N=82

N=126

Faible métallicité N=50:

Sr,Y,Zr

N=82: Ba,La,Ce

N=126: N=126: Pb,BiPb,Bi

A la recherche de bonnes candidates

A la recherche d'étoiles. enrichies en éléments s

. de faible métallicité

Étoiles AGBET

Problème: on ne connaît pas d'étoile AGB de faible métallicité...

A faible métallicité, les étoiles enrichies en éléments s doivent contenir beaucoup de plomb

Idée: étoiles CH

. étoiles de faible métallicité ([Fe/H] ~ -1)

. étoiles enrichies en éléments s

Ce ne sont pourtant pas des étoiles AGB: elles sont trop peu lumineusesDès lors, pourquoi sont-elles enrichies en éléments s ?

ET

Candidates idéales pour tester la prédiction théorique

Les étoiles CH

Étoiles binaires ...

... polluées par de la matière éjectée, par le passé,par leur compagnonqui était alors une étoile AGB

Vue d'artiste

Les étoiles CH ont été polluées par une AGB de faible métallicité

Elles permettent donc de tester le processus s

Il suffit de rechercher du plomb dans les étoiles CH

Demande de temps de télescope à l'ESO (Observatoire Européen austral)

L'observatoire de La Silla (Chili)

Le télescope de 3m60 équipé du spectrographe CES(Coude Echelle Spectrograph)

Spectres réduits au télescope

Au retour de mission,- réduction soignée des images CCD

- analyse des spectres:détermination de l'abondance de plombpar synthèse spectraleau travers d'un modèle d'atmosphère adapté.

Comparaison avec les modèles de nucléosynthèse

Détermination de l'abondance de plomb par synthèse spectrale

Efficacité du processus s en fonction de la métallicité

2001

Efficacité du processus s en fonction de la métallicité

2002La fin de l'histoire? Non!

Efficacité du processus s en fonction de la métallicité

2003

Les modèles actuels de nucléosynthèse ne permettent pas d'expliquer toutes les observations

Les abondances dérivées des observations sont entachées de grandes barres d'erreur

Poisons neutroniques, rotation, 3D, ...

Des observations plus nombreuses sont requises pour dégager des tendances

Spectres UVES du Very Large Telescope

Petite conclusion

Pas vraiment de conclusion...

« Comment en un plomb vil l'or pur s'est-il changé ? »

Racine, J. : 1691, Athalie, III, 7

Conclusion plus générale

Poussières d'étoiles...

Fin

La nucléosynthèse primordiale (Big Bang) production de deuterium (1%), He (25%), Li, Be a partir des protons primordiaux

La nucléosynthèse par spallation (milieu interstellaire) production de Li, Be, B

La nucléosynthèse non explosiveAssociée aux cycles de production d'énergie combustion de H (cycle pp, CNO) combustion de He (réaction triple alpha) combustion de C, O, Ne, Mg, Si production de la majorité des nucléides plus légers que Fe

Les grandes classes de processus de nucléosynthèse

Auxiliaire aux cycles de production d'énergie processus s (« slow ») -> production d'éléments plus lourds que le fer

La nucléosynthèse explosiveLors des explosions de type novae (cycle CNO chaud)Lors des explosions de type supernovae combustion H, He, C, O, Ne, Mg, Si processus r (« rapid ») -> production d'éléments plus lourds que le fer processus p (photo-émissions de neutrons) -> production d'éléments plus lourds que le fer

La nucléosynthèse primordiale (Big Bang) production de deuterium (1%), He (25%), Li, Be a partir des protons primordiaux

La nucléosynthèse par spallation (milieu interstellaire) production de Li, Be, B

La nucléosynthèse non explosiveAssociée aux cycles de production d'énergie combustion de H (cycle pp, CNO) combustion de He (réaction triple alpha) combustion de C, O, Ne, Mg, Si production de la majorité des nucléides plus légers que Fe

Les grandes classes de processus de nucléosynthèse

Auxiliaire aux cycles de production d'énergie processus s (« slow ») -> production d'éléments plus lourds que le fer

La nucléosynthèse explosiveLors des explosions de type novae (cycle CNO chaud)Lors des explosions de type supernovae combustion H, He, C, O, Ne, Mg, Si processus r (« rapid ») -> production d'éléments plus lourds que le fer processus p (photo-émissions de neutrons) -> production d'éléments plus lourds que le fer

OBAFGKMRNS

Oh Be A Fine Guy/Girl Kiss Me

Only Boys accepting Feminism Get Kissed Meaningfully

Official Bureaucrats At Federal Government Kill Many Researchers' National Support

Observationalists Basically Are Fine Generous Kind Men (Really Not Sexist)

Oh backward Astronomer, Forget Geocentricity;Kepler's Motions Reveal Nature's Simplicity

Only Boring Astronomers Find Gratification Knowing Mnemonics

Processus r et s