Nucléosynthèse

La nucléosynthèse désigne les processus qui forment des noyaux atomiques à partir d’autres noyaux ou de nucléons. Elle explique la production des éléments légers primordiaux et l’enrichissement ultérieur en noyaux plus lourds. Ces transformations fournissent les matériaux qui entrent dans la composition des planètes et des êtres vivants.

La nucléosynthèse primordiale

Dans les premières minutes du modèle du Big Bang chaud, les réactions entre protons et neutrons produisent notamment du deutérium, de l’hélium-3, beaucoup d’hélium-4 et des traces de lithium. Une grande partie des protons reste sous forme de noyaux d’hydrogène. Les abondances primordiales prédites, ensuite modifiées localement par les étoiles, constituent un test important du modèle.

La nucléosynthèse stellaire

Dans les étoiles, la fusion transforme notamment l’hydrogène en hélium, puis peut produire du carbone et de l’oxygène. Les étoiles massives poursuivent ces réactions jusqu’aux noyaux du groupe du fer. Au-delà, la fusion ne fournit plus l’énergie nécessaire pour soutenir le cœur. Certains noyaux légers, comme le béryllium et le bore, ont aussi une origine liée aux collisions de rayons cosmiques.

Les supernovas et les éléments lourds

Des éléments plus lourds que le fer se forment par captures de neutrons. Les captures lentes ont lieu notamment dans des étoiles évoluées ; les captures rapides exigent des milieux très riches en neutrons, comme ceux des fusions d’étoiles à neutrons. Dans les données de GW170817, du strontium a été identifié en 2019. La contribution relative des différents sites dépend de l’élément considéré.

Le saviez-vous ?

L’or terrestre a été produit avant la naissance du système solaire, puis incorporé aux matériaux dont la Terre s’est formée. Les fusions d’étoiles à neutrons peuvent contribuer à sa production, mais on ne peut pas attribuer l’or d’un bijou à un événement cosmique particulier.

Questions fréquentes

D’où vient l’oxygène que nous respirons ?

L’oxygène a été forgé au cœur d’étoiles massives par fusion de noyaux d’hélium et de carbone. Ces étoiles ont ensuite explosé en supernova, dispersant l’oxygène dans le milieu interstellaire. Il a été incorporé dans notre système solaire lors de sa formation.

Tous les éléments chimiques ont-ils la même origine ?

Non. L’hydrogène et une grande partie de l’hélium sont primordiaux. Les étoiles, leurs explosions, les captures de neutrons et les collisions de rayons cosmiques contribuent ensuite à des degrés différents aux autres noyaux. Chaque élément a une histoire spécifique.

La nucléosynthèse se produit-elle encore aujourd’hui ?

Oui, en permanence. Chaque étoile active est un réacteur nucléaire. Les supernovas et les fusions d’étoiles à neutrons continuent de produire des éléments lourds. La nucléosynthèse transforme ainsi des noyaux existants en d’autres noyaux : elle ne crée pas de matière à partir de rien.