Cette image du télescope spatial Hubble montre un reste de supernova qui aurait créé un magnétar. Crédit : NASA/JPL/Hubble Heritage Team (STScI/AURA)
Les scientifiques ont proposé un nouveau processus de nucléosynthèse, le processus νr, qui pourrait expliquer l'origine des isotopes rares du système solaire.
Un nouveau processus de nucléosynthèse appelé processus νr a été suggéré par les scientifiques. Il fonctionne lorsqu’un matériau riche en neutrons est exposé à un flux élevé de neutrinos. La proposition théorique, récemment publiée dans Lettres d'examen physique par des chercheurs du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, de la Technische Universität Darmstadt et de l'Institut Max Planck d'astrophysique, pourrait être la solution à un problème de longue date lié à la production d'un groupe d'isotopes rares présents dans le système solaire mais dont l'origine est toujours mal compris, ce qu'on appelle les noyaux p.
Nucléosynthèse dans les étoiles
Les processus de fusion opérant dans les étoiles massives produisent des noyaux allant jusqu'au fer et au nickel. Au-delà d’eux, la plupart des noyaux lourds stables, comme le plomb et l’or, sont produits via des processus de capture de neutrons lents ou rapides. Pour la production des autres, qui sont déficients en neutrons, divers procédés de nucléosynthèse ont été proposés. Cependant, il reste difficile d'expliquer les grandes abondances de 92,94Mo, 96,98Ru, et 92Nb dans le (début) système solaire.
Mécanisme du processus νr
Le processus νr permet la production simultanée de tous ces noyaux car les neutrinos catalysent une série de réactions de capture. Voici comment fonctionne le processus : le processus νr opère dans des sorties riches en neutrons lors d'explosions astrophysiques qui, initialement, lorsque les températures sont élevées, sont constituées de neutrons et de noyaux situés autour du fer et du nickel. À mesure que la température du matériau diminue, des noyaux plus lourds sont produits à partir de noyaux plus légers par une séquence de captures de neutrons et de processus d'interaction faible.
Cependant, à la différence du processus de capture rapide de neutrons, dans lequel les réactions faibles sont des désintégrations bêta, pour le processus νr, ce sont des réactions d'absorption de neutrinos. Une fois les neutrons libres épuisés, d’autres réactions d’absorption des neutrinos convertissent les neutrons liés dans les noyaux en protons poussant les noyaux produits vers et même au-delà de la ligne de stabilité bêta.
Les noyaux p sont marqués en rouge. Crédit : Zewei Xiong
Les énergies des neutrinos sont suffisamment grandes pour exciter les noyaux jusqu'à des états qui se désintègrent par l'émission de neutrons, de protons et de particules alpha. Les particules émises sont captées par les noyaux lourds. Cela déclenche une série de réactions de capture catalysées par les neutrinos qui déterminent les abondances finales d'éléments produits par le processus νr. De cette manière, les neutrinos peuvent produire des noyaux déficients en neutrons qui seraient autrement inaccessibles.
« Notre découverte ouvre une nouvelle possibilité pour expliquer l'origine des noyaux p via des réactions d'absorption de neutrinos sur les noyaux », explique Zewei Xiong, scientifique au département d'astrophysique et de structure nucléaires du GSI/FAIR et auteur correspondant de la publication.
Identifier l'environnement stellaire
Après avoir déterminé la série de réactions qui pilotent le processus νr, il reste à identifier le type d’explosion stellaire où il se produit. Dans leur publication, les auteurs ont proposé que le processus νr fonctionne dans un matériau éjecté dans un environnement avec des champs magnétiques puissants, comme dans les supernovae magnéto-rotationnelles, les collapsars ou les magnétars. Cette suggestion a incité les astrophysiciens à rechercher les conditions appropriées, et en effet, une première publication a déjà rapporté que les éjectas entraînés magnétiquement atteignaient les conditions nécessaires.
Recherches futures et implications
Le processus νr nécessite la connaissance des réactions des neutrinos et des réactions de capture des neutrons sur les noyaux situés des deux côtés de la ligne de stabilité bêta. La mesure des réactions pertinentes deviendra possible grâce aux capacités uniques de l’anneau de stockage de l’installation GSI/FAIR.
