De nouvelles recherches suggèrent que la fission cosmique pourrait jouer un rôle dans la formation d’éléments lourds. L’analyse de vieilles étoiles a révélé une corrélation entre les métaux légers et les noyaux de terres rares, indiquant la production de noyaux super-lourds au-delà du tableau périodique connu. Cette découverte confirme les théories de la fission cosmique et suggère l’existence d’éléments ayant une masse atomique de 260, élargissant ainsi notre compréhension du cosmos.
Les modèles de fission trouvent des empreintes claires de processus nucléaires jamais observées directement dans les étoiles.
On pense que les éléments situés au-dessus du fer dans le tableau périodique sont créés lors d’explosions cataclysmiques comme la fusion de deux étoiles à neutrons ou dans de rares classes de supernovae. De nouvelles recherches suggèrent que la fission pourrait s’opérer dans le cosmos lors de la création des éléments lourds. En examinant les données sur divers éléments résidant dans de très vieilles étoiles, les chercheurs ont découvert une signature potentielle de fission, indiquant que la nature est susceptible de produire des noyaux super-lourds au-delà des éléments les plus lourds du tableau périodique.
« Les gens pensaient qu’une fission se produisait dans le cosmos, mais jusqu’à présent, personne n’a été capable de le prouver », a déclaré Matthew Mumpower, physicien théoricien au Laboratoire national de Los Alamos et co-auteur d’un article dans Science présentant la recherche.
En utilisant les dernières observations, a déclaré Mumpower, les chercheurs ont découvert une corrélation entre les métaux légers de précision comme l’argent et les noyaux de terres rares comme l’europium. Lorsqu’un de ces groupes d’éléments augmente, les éléments correspondants de l’autre groupe augmentent également : la corrélation est positive.
La fusion de deux étoiles à neutrons fait partie des principaux sites candidats à la synthèse des éléments les plus lourds du tableau périodique grâce au 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 par la suite des éléments plus lourds. On pense que l’ensemble du processus se déroule en une seule seconde. Crédit : Laboratoire national de Los Alamos (Matthew Mumpower)
Des preuves « incroyablement profondes » de fission
« La seule façon plausible que cela puisse se produire entre différentes étoiles est s’il existe un processus cohérent à l’œuvre pendant la formation des éléments lourds », a déclaré Mumpower. L’équipe a testé toutes les possibilités et la fission était la seule explication capable de reproduire la tendance.
« C’est incroyablement profond et c’est la première preuve d’une fission opérant dans le cosmos, confirmant une théorie que nous avions proposée il y a plusieurs années », a déclaré Mumpower. « Au fur et à mesure que nous acquérons davantage d’observations, le cosmos dit: « Hé, il y a une signature ici, et elle ne peut provenir que de la fission. »
La recherche indique également que des éléments ayant une masse atomique (le nombre de protons plus neutrons) de 260 – plus lourds que ceux indiqués dans la partie supérieure du tableau périodique – peuvent exister.
Mumpower a développé les modèles de fission utilisés pour prédire et guider les résultats d’observation, dirigés par l’auteur de l’étude Ian Roederer de Université d’État de Caroline du Nord.
Recherche lourde
Les astrophysiciens croient depuis longtemps que les éléments lourds autres que le fer se sont formés lors d’explosions stellaires appelées supernova ou lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. Comme leur nom l’indique, ces derniers sont composés en grande partie de neutrons qui, avec les protons, forment les noyaux de tous les atomes. Grâce au processus de capture rapide des neutrons, appelé processus r, les noyaux atomiques capturent les neutrons pour former des éléments plus lourds. Que certains deviennent trop lourds pour tenir ensemble et se diviser, ou une fission, formant deux atomes d’éléments plus légers mais toujours lourds (et libérant une énergie énorme) est resté un mystère pendant un demi-siècle.
Dans un article de 2020, Mumpower a pour la première fois prédit la distribution des fragments de fission pour les noyaux du processus r. Une étude ultérieure menée par la collaboratrice Nicole Vassh de TRIUMF a prédit la coproduction de métaux légers de précision et de noyaux de terres rares. Cette coproduction d’éléments comme le ruthénium, le rhodium, le palladium et l’argent, et ceux comme l’europium, le gadolinium, le dysprosium et l’holmium, peut être testée en comparant la prédiction avec les abondances élémentaires dans une collection d’étoiles.
La nouvelle analyse menée par Roederer a passé au peigne fin les données d’observation de 42 étoiles et a trouvé précisément la corrélation prévue. Le motif fournit une signature claire de la fission créant ces éléments et un motif similaire d’éléments légèrement plus lourds et plus hauts dans le tableau périodique.
« La corrélation est très robuste dans les étoiles améliorées par le processus R pour lesquelles nous disposons de suffisamment de données. Chaque fois que la nature produit un atome d’argent, il produit également des noyaux de terres rares plus lourds en proportion. La composition de ces groupes d’éléments est cohérente », a déclaré Mumpower. « Nous avons montré qu’un seul mécanisme peut en être responsable – la fission – et les gens se creusent la tête à ce sujet depuis les années 1950. »
De la gestion des stocks aux étoiles
« À 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 déclaré Mumpower. Les modèles permettent aux physiciens d’interpréter les expériences et de compléter les données lorsque les mesures font défaut. Depuis que les États-Unis ont arrêté leurs essais d’armes nucléaires en 1992, les données expérimentales sur la fission sont limitées.
Les modèles fonctionnent exceptionnellement bien par rapport aux données mesurées et donnent ainsi du crédit à leurs extrapolations là où il n’y a pas de mesures. Les apports nucléaires à durée de vie courte et longue espèces sont nécessaires pour les études sur la formation des éléments lourds, a déclaré Mumpower. Les rendements de fission sont le produit du processus de division d’atomes relativement lourds en atomes plus légers – le même processus utilisé dans les armes nucléaires et les réacteurs.
Financement : Programme de recherche et de développement dirigé par le laboratoire du Laboratoire national de Los Alamos.
