Des chercheurs ont résolu une énigme de longue date concernant les anomalies de concentration en strontium dans les étoiles anciennes. En mesurant expérimentalement la capture neutronique du krypton-88, l’équipe valide les modèles de nucléosynthèse.
À retenir
- Une étude publiée dans Nature Communications Physics résout une anomalie sur les niveaux de strontium dans les étoiles anciennes.
- Les travaux ont été menés par une équipe dirigée par Caley M. Harris, étudiante diplômée de l’Université d’État du Michigan.
- Le mystère provenait d’un taux de capture de neutrons inconnu pour le krypton-88, un isotope radioactif dont la demi-vie est de 2,8 heures.
- L’expérience en laboratoire permet d’ajuster les modèles théoriques du processus intermédiaire de capture de neutrons (processus i).
Les limites des modèles face aux étoiles anciennes
Depuis des décennies, l’astrophysique s’appuie sur deux voies principales pour expliquer la formation des éléments chimiques plus lourds que l’hélium. Le processus lent, ou s-process, se produit dans les étoiles en fin de vie, tandis que le processus rapide, ou r-process, intervient lors d’explosions cataclysmiques de type supernovae.
Cependant, l’analyse des étoiles pauvres en métaux et enrichies en carbone, dites CEMP, formées peu de temps après la naissance de l’univers, a révélé des incohérences. Les ratios des éléments lourds observés ne correspondaient ni au processus lent ni au processus rapide. Cette contradiction a conduit à l’hypothèse d’un troisième mécanisme, le processus intermédiaire de capture de neutrons, ou i-process.
Malgré l’adoption de ce troisième modèle, une divergence persistait entre les simulations et les observations réelles. Le strontium apparaissait beaucoup plus fréquemment dans les spectres stellaires que ne le prévoyaient les calculs théoriques. Les astrophysiciens suspectaient une lacune dans les données nucléaires concernant le krypton-88, un élément hautement radioactif dont la demi-vie atteint seulement 2,8 heures.
Le rôle critique du krypton-88 dans la nucléosynthèse
Le krypton-88 occupe une position charnière dans la chaîne de réactions nucléaires des étoiles anciennes. Durant sa brève existence, cet isotope radioactif dispose de deux issues possibles. Il peut soit capturer un neutron pour devenir du krypton-89, menant finalement à la formation d’yttrium-89, soit subir une désintégration bêta en rubidium-88.
Ce rubidium-88 se désintègre ensuite rapidement pour produire du strontium-88. Le comportement exact du krypton-88 déterminait donc directement la quantité finale de strontium générée dans les couches stellaires. Faute de mesures empiriques, les chercheurs devaient s’en remettre à des estimations dans leurs simulations numériques.
La difficulté majeure résidait dans la mesure du taux d’absorption des neutrons d’un isotope dont la durée de vie ne dépasse pas quelques heures. La manipulation d’éléments hautement instables en laboratoire représente un défi expérimental considérable pour la physique nucléaire moderne.
La résolution expérimentale par l’équipe de l’Université d’État du Michigan
L’équipe menée par Caley M. Harris a mis au point un dispositif expérimental complexe pour mesurer ce taux d’absorption des neutrons manquant. Ces données de laboratoire fournissent enfin la pièce manquante qui faisait défaut aux modèles d’évolution chimique des étoiles de type CEMP.
En intégrant cette mesure précise du krypton-88, les physiciens peuvent désormais aligner leurs simulations sur les observations astronomiques réelles. Cette avancée confirme la viabilité du processus i comme mécanisme majeur de la nucléosynthèse dans l’univers primordial.
Perspectives pour la compréhension de l’enrichissement chimique
La validation de ces taux de capture neutronique renforce la compréhension globale de la genèse des éléments chimiques dans le cosmos. Des métaux indispensables à la technologie moderne jusqu’aux composants de la matière biologique, l’origine stellaire de chaque atome continue de se préciser grâce au croisement entre observations spectroscopiques et physique en laboratoire.
Les travaux futurs s’attacheront à examiner d’autres isotopes instables impliqués dans le processus intermédiaire. Ces recherches permettront de cartographier avec une plus grande exactitude l’histoire chimique des premières générations d’étoiles et l’ensemencement progressif de la galaxie.