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Le Soleil

Le cycle CNO

Historiquement c'est Hans Bethe, l'un des auteurs de la théorie du Big Bang avec George Gamow alors à l'Université de Cornell qui avança une hypothèse géniale en 1939, pour laquelle il sera récompensé par le prix Nobel... en 1967. A la même époque, le physicien allemand Carl von Weizsäcker proposa la même réaction mais vu qu'il travaillait alors en Allemagne, son nom ne sera pas associé au prix Nobel.

A partir des éléments lourds observés dans le spectre du Soleil, Hans Bethe et son collègue Charles von Critchfield partirent de l'hypothèse que les atomes de carbone pouvaient se transmuter en éléments plus lourds. Cette fusion dégagerait une grande quantité d'énergie.

Dans un article de la Physical Review, Hans Bethe[1] proposa qu'un noyau d’hydrogène, un proton, pouvait fusionner avec un noyau de carbone-12 pour donner de l’azote-13, un isotope radioactif de l’azote et un photon γ qui se dissiperait rapidement pour donner ce bel éclat au Soleil. Instable l’azote-13 se désintégrerait en 3 particules : le carbone-13, un isotope du carbone, un positron (un électron positif) et un neutrino (avec un spectre d'énergie allant jusqu'à 1.2 MeV maximum). Ce positron s’annihilerait avec un électron libre présent dans l’atmosphère solaire et créerait un photon γ qui se dissiperait vers la surface. Plus réactif que le carbone-12, son isotope fusionnerait rapidement avec un autre proton pour produire de l’azote-14, un noyau stable, avec émission d’un photon γ. L’injection d’un nouveau proton donnerait de l’oxygène-15 en libérant à son tour un photon γ. Mais instable, trop riche en protons, ce noyau d’oxygène se désintégrerait en azote-15 en libérant à nouveau un positron et un neutrino (1.74 MeV max.). Positron et électron produiront un nouveau photon γ qui viendra activer l’énergie du système. Une dernière collision avec un proton briserait le noyau d’azote-15. Un nouveau noyau de carbone-12 serait créé ainsi que 4 paires de protons, c’est-à-dire un noyau d’hélium-4 (hélion ou particule α).

Les acteurs

Hans Bethe et Arthur Eddington. Documents SONOMA.

Ce cycle du carbone boucle ainsi sur lui-même. Grâce à la libération de photons γ ce mécanisme très simple constitue une recette très économique pour entretenir ce chaudron cosmique. Une collision sur mille transformerait toutefois l’azote-15 en oxygène-16 qui dans tous les cas se désintégrerait en une particule α et en azote-14. Le cycle est fermé. Mais il fallait expliquer de quelle façon le carbone-12 et les éléments plus lourds découverts dans les étoiles avaient pu se constituer. Cette énigme ne sera résolue qu'à la fin des années 1950.

En attendant, on pouvait résumer ce processus en donnant au carbone-12 le rôle central de catalyseur de la fusion thermonucléaire. Cette réaction se réalise avec un seul noyau de carbone, l'interaction individuelle de 4 noyaux d’hydrogène, mais on décompte au terme du processus, une vingtaine de réactions en chaînes, la formation d'une dizaine d'atomes et la libération d'une grande quantité d'énergie sous forme de rayons γ. 0.75 % de la masse de chaque atome d'hydrogène est convertie en rayonnement, en tenant compte du fait que les neutrinos ne collaborent par à ce bilan global. Le résultat de cette conversion de l'hydrogène en hélium produit donc du carbone, de l'azote et de l'oxygène : c'est le cycle CNO ou "cycle du carbone"[2].

Le cycle CNO

Alors que Gamow confirmait que le proton pouvait fusionner vers 15 millions de degrés, le cycle du carbone dépendait étroitement de la température qui régnait au centre de l'étoile. Dans le coeur du Soleil, le cycle du carbone offrait peu de rendement, environ 10 %. Il faut en effet une température d'au moins 20 millions de degrés pour obtenir un rendement suffisant. Dans ces conditions comment pouvait-on expliquer la source d'énergie du Soleil, où le cycle CNO ne serait pas très efficace ?

Le cycle proton-proton

Pour aboutir à la fusion de l'hydrogène avec un rendement d'environ 90 %, Bethe et Critchfield inventèrent un nouveau mécanisme qui s'adaptait beaucoup mieux au Soleil. Ils démontrèrent que la collision de 2 protons donnait un noyau de deutérium (le deutéron, l'isotope lourd de l'hydrogène comprenant un proton et un neutron). Cette réaction de fusion devait être très efficace aux alentours de 15 millions de degrés. C'est le cycle proton-proton (p-p). Cette réaction libère un positron et un neutrino. Ce dernier n'entre pratiquement pas en interaction avec la matière et quitte le Soleil avec une énergie maximale de 0.42 MeV. Il s’agit d’un neutrino de basse énergie. Attiré par son antiparticule, le positron s'annihile rapidement avec un électron en libérant un intense rayonnement γ. Mais une fois sur 400 environ, deux protons fusionnent, capturent un électron et se transmutent en deutéron, l'isotope lourd de l'hydrogène et libèrent un neutrino (1.44 MeV max.). C'est le cycle "proton-électron-proton" (p-e-p). A son tour la fusion d'un nouveau proton avec le deutéron produit un isotope de l'hélium, l’hélium-3 en émettant un photon γ.

La réaction suivante transforme cet élément radioactif en hélium-4. Deux mécanismes forts différents peuvent intervenir. Neuf fois sur dix, deux atomes d’hélium-3 se transmutent en hélium-4 et libèrent deux protons. Ensuite la fusion de l’hélium-3 et de l’hélium-4 avec un proton libère deux particules α (2 hélions). Une fois sur dix, l’hélium-3 et l’hélium-4 fusionnent pour former du béryllium-7, réaction qui s'accompagne de photons γ. Le béryllium-7 capture ensuite un électron et se scinde en 2 atomes de lithium-7. Cette réaction libère deux neutrinos (86 et 38 MeV max.) qui s'évaderont du Soleil. Enfin, le lithium-7 fusionne avec un proton pour former deux atomes d’hélium-4.

Dans une réaction sur mille, le béryllium-7 se transforme en boron (noyau de bore-8) par fusion avec un proton. Cette réaction libère également des photons γ. Le boron étant instable, il se transmute en béryllium-8 en libérant un positron et un neutrino (14.06 MeV max.). Finalement dans une dernière réaction, le béryllium-8 se brise en deux paires d’hélium-4. Le cycle prend fin.

Grâce au mécanisme de fusion inventé par Bethe, von Critchfield et von Weizsäcker, Eddington avait l'explication de la source du rayonnement du Soleil. Il restait à élucider la façon dont les autres éléments chimiques étaient élaborés et expliquer leurs abondances relatives dans l’Univers.

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[1] H.Bethe, Physical Review, 55, 1939, p434.

[2] Pour la justesse du récit, rappelons que Bethe et Critchfield ne développèrent que le cycle CN. Il fallut attendre quelques années pour que d'autres astrophysiciens inventent le cycle NO.


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