Nucléosynthèse. La genèse des éléments.

Transcription

1 DEPAES / Université Ouverte / Paris Diderot / Cycle Structuration et évolution dans l univers Nucléosynthèse. La genèse des éléments. Etienne Parizot Université Paris Diderot / APC

2 Structuration et évolution dans l univers Le modèle standard de la cosmologie (par Jean-Christophe Hamilton) Évolution du système solaire (par Marcello Fulchignoni) Évolution des étoiles (par Sylvain Chaty) Évolution de la matière : nucléosynthèse étoiles (par Etienne Parizot) Niveau du cours? Compromis à trouver entre le détail et la vision d ensemble calculer / démontrer vs. décrire / justifier But du cours : faire saisir les enjeux, les principes à l œuvre et les grandes lignes des phénomènes entrant en jeu dans la nucléosynthèse Quel compromis? à trouver ensemble, dynamiquement...

3 Stratégie envisagée Donner d abord un aperçu général de la nucléosynthèse, et revenir ensuite plus en détail sur les points que vous souhaiterez approfondir 1. Donner le contexte (physique, astrophysique et philosophique ) de l aventure de la nucléosynthèse 2. Brosser un panorama général de la nucléosynthèse à travers ses différents épisodes 3. Donner quelques éléments quantitatifs simples, pour faire toucher du doigt la pertinence des idées avancées séance 1 séance 1 & 2 séance 2 & 3

4 Séance 1 : aperçu Histoire, changement, matière De la chimie à l alchimie Univers et évolution La nucléosynthèse primordiale La nucléosynthèse stellaire La nucléosynthèse explosive La nucléosynthèse spallative

5 Partie I Une histoire de l univers?

6 Un cosmos immuable... Terre / monde sublunaire : désordre, corruptibilité mouvement, agitation, naissance, développement, mort... événements irréversibles temps linéaire Ciel / monde supralunaire : ordonné, éternel, immuable animé seulement de mouvements réguliers (phases de la Lune, même le mouvement des «planètes»...) temps cyclique Le cosmos échappe à la linéarité du temps : c est même lui qui, par sa régularité, permet de repérer le temps linéaire de la Physique sublunaire Le cosmos échappe à la Physique (non pas naturel, mais surnaturel) et n est pas le siège d «événements»

7 Un cosmos immuable... NB: même avec le recul, une telle idée n est pas si naïve qu il y paraît! L immuabilité du ciel est en fait nécessaire à l établissement d un cadre temporel opérationnel : mesure du temps, référence inattaquable... Comment jauger le changement, comment étudier quantitativement les mouvements, si le chronomètre n est pas régulier? La régularité du ciel a fourni la référence en dernier ressort pour toute mesure du temps, jusqu à une date très récente! Le temps atomique est très récent!!! Et en fait... les pulsars sont plus réguliers que les horloges atomiques!

8 et pourtant... Événements célestes! Observation de novæ, supernovæ... Quelque chose se passe dans le cosmos! Il existe des événements, des phénomène cosmiques! Étoile invitée indiquée par les chinois en 393 (A.D.)

9 et pourtant... Événements célestes! Observation de novæ, supernovæ... Quelque chose se passe dans le cosmos! Il existe des événements, des phénomènes cosmiques! SN vue par les astronomes chinois en 393 A.D. SNR vu par ROSAT (X) en 1996 [G ou RXJ ]

10 Nébuleuse du Crabe Supernova en 1054!

11 Événements dans le ciel Supernovæ, mouvements d étoiles (pas tout à fait fixes)... Peut-être un cycle plus long? (cf. précession des équinoxes) «La Lune est Terreuse!» (Galilée) le Ciel est concerné par la Physique (au moins le ciel proche...) Le Soleil contient des éléments chimiques terrestres! Spectroscopie début de l astrophysique...

12 Vers la physique des astres : Auguste Comte range la composition du Soleil parmi les choses à jamais hors de portée de la connaissance 1865: Bunsen et Kirchhoff analysent la lumière du Soleil et déterminent sa composition chimique! Découverte de l hélium : par spectroscopie solaire, pendant l éclipse du 18 août 1868 (identifié sur Terre en 1895, par Ramsay) Les photons deviennent des messagers des processus physiques! Informations sur les masses, températures, composition, vitesses, etc.

13 Événements dans le ciel Supernovæ, mouvement d étoiles (pas tout à fait fixes)... Peut-être un cycle plus long? (cf. précession des équinoxes) «La Lune est Terreuse!» (Galilée) le Ciel est concerné par la Physique (au moins le ciel proche...) Le Soleil contient des éléments chimiques terriens! Spectroscopie début de l astrophysique... L univers physique s étend pour englober le cosmos Attention : il y a une histoire dans le cosmos, mais ça ne veut pas dire qu il y a une histoire du cosmos...

14 La révolution cosmologique Relativité Générale (Einstein, 1915) Le cadre géométrique du monde physique est dynamique, dépend du contenu matériel de l univers et réagit à ses mouvements Il existe d autres galaxies... et elles s éloignent les unes des autres! (Hubble, 1923) La matière est sujette à des mouvements globaux, significatifs à l échelle de l univers L univers est en expansion : il a une histoire! Le cadre dans lequel ont lieu les phénomènes physiques (événements terrestres et cosmiques) est lui-même en évolution, il est lui-même un phénomène! Révolution conceptuelle majeure, à ne pas négliger! Einstein est moins naïf que ceux qui s amusent de son erreur! Implications redoutables, encore très mal comprises...

15 L univers a une histoire! Une histoire, c est plus qu une succession d événements, ou que le déploiement de phénomènes inscrits dans la durée Dans la conception antique du monde, le cosmos était animé de mouvements (rotation des sphères célestes...), mais n avait pas d histoire... Une histoire, c est un temps linéaire, et non cyclique Un être vivant a une histoire, parce qu il vit dans un temps non cyclique : il naît, croît, décline et meurt on peut raconter l histoire d un homme. De même, on peut raconter l histoire des hommes, parce qu il y a une évolution des sociétés humaines, et des civilisations, un progrès culturel (au sens étymologique) Histoire de l humanité, histoire des espèces vivantes, etc.

16 Le problème du changement Toute histoire nécessite un cadre (pour repérer le changement), une scène (sur laquelle elle se déroule) Quel cadre permet-il de parler de l évolution de l univers? Statut des lois physiques... Faut-il une référence immuable? Peut-on s appuyer sur des changements de rapports? Mais comment les identifier? cadre extérieur Que veut dire évoluer? Qu est-ce que le changement? Comment comparer ce qui est à ce qui était? Problème de la mémoire : la conscience est toujours au présent a-t-on véritablement accès à ce qui était? Comment une chose peut-elle changer, c est-à-dire devenir ce qu elle n était pas, et cesser d être ce qu elle était? Question centrale de la philosophie après Parménide (~500)

17 Partie II Une histoire de la matière?

18 Une histoire de la matière? Qu est-ce que la matière? Très vieille réflexion! Matière : donnée fondamentale (avec l espace et le temps) de l expérience physique sensible, support des phénomènes physiques Substance... mais de quelle nature, de quelle essence? Appréhendée par les sens, mais les sens sont-ils fiables? Quel lien avec la réalité? recours à la raison... Qu est-ce qui fait que les choses sont comme elles sont? Monde matériel : aspects extrêmement divers! Mais il existe des affinités entre les choses! Les corps du monde matériel ne sont pas indépendants...

19 Diversité / Unité Les corps interagissent pas étrangers les uns aux autres Pourrait-il y avoir interaction sans participation à une même réalité, à une essence commune? Les corps ont une affinité au niveau de la substance ce qui se tient au-dessous, soutient, sous-tend les corps et les phénomènes auxquels ils donnent corps! Exemple : changements d état! Exemple : nutrition! Anaxagore (~445): En toute chose il y a une portion de toute chose Différence entre ce qui apparaît et ce qui est! S il existe des affinités, un ordre caché derrière la diversité, quel est-il? Comment décrire/comprendre le passage d un aspect à un autre?

20 La question du changement Monde physique soumis au changement, à la corruption Tout, ici-bas, naît, croît, meurt, se compose, se décompose... Rien n est permanent : la réalité sensible est marquée par le processus, le mouvement Si les choses et les phénomènes ont une raison, comment appréhender le changement? Problème philosophique et métaphysique très profond! Touche à l essence de la réalité et au problème de la génération! Héraclite (~500) : tout est mouvement/changement/tension Parménide (~480) : impossibilité foncière du changement

21 La question du changement Héraclite : équilibre et repos apparent dissimulent une tension sous-jacente, une interaction entre opposés (arc, lyre) Parménide : critique radicale et définitive Il est. Ce qui est ne peut pas ne pas être ni cesser d être Rien ne peut venir à être à partir de ce qui n est pas (de ce qui est totalement inexistant) Rien ne peut venir à être, en quelque sens que ce soit! La venue à l être, la disparition et le changement sont également et rigoureusement impossibles! L être est un et immuable

22 Partie III De la chimie à l alchimie : lever le tabou de la transmutation!

23 Après Parménide... Nul philosophe ou physicien ne peut négliger les arguments de Parménide : ses continuateurs comme ses adversaires Empédocle (~445) et Anaxagore (~445) acceptent que rien ne peut venir à être à partir du non-être Pluralité de ce qui existe éléments, ou plutôt racines, éternelles et incréées : Terre, Eau, Air, Feu : existent pareillement et ont toujours existé changement = combinaisons diverses des racines, substances originaires et simples : mélanges, combinaisons, séparations (NB: pour Anaxagore, pas seulement 4 éléments: une infinité de choses existantes depuis toujours, mais toutes présentes en toute chose) Les atomistes également (Leucippe, ~425; Démocrite, ~410): acceptent l idée d unité inaltérable, indivisible, inengendrée, mais postulent la pluralité de ces uns

24 Histoire de la matière? La matière n a pas d histoire à son niveau fondamental! Anaxagore ( ) «Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau» Lavoisier ( ) «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme» Il ne peut y avoir d histoire de la matière, car ce qui n est pas ne saurait venir à être

25 Le triomphe de la chimie La chimie à la conquête de la matière... A. Lavoisier Démocrite J. Dalton A. Avogadro D.I. Mendeleiev

26 Les éléments atomiques Il existe 92 atomes distincts dans la Nature, à partir desquels sont formés tous les composés chimiques, physiques, géologiques, biologiques connus Classification périodique de Mendeleïev

27 Les éléments atomiques Tous les atomes n ont pas la même abondance! Ce qui est rare est cher... L or (Au) est plus rare que le germanium (Ge), qui est plus rare que le Nickel (Ni), qui est plus rare que l oxygène (O) ou le carbone (C)... renforce le tabou de la transmutation! Pourquoi les abondances sont-elles différentes? Question vaine! (et même différentes dans le soleil et sur Terre!) Parce que c est comme ça! Ça l a toujours été, et ça le sera toujours! (d après la chimie)

28 Abondances solaires Numerical data from: Katharina Lodders (2003) The Astrophysical Journal 591:

29 La décennie révolutionnaire Fin du XIXe siècle : on a compris la nature de la lumière (ondes électromagnétiques), on a compris les principes de la chimie et de l organisation de la matière à partir des atomes Mais...

30 Les rayons cathodiques Crookes Thomson 1855 : pompe à vide de Geissler 1879 : tube de Crookes rayons inconnus 1897 : Thomson identifie l électron

31 Les rayons cathodiques Crookes Thomson masse 2000 fois plus petite que l atome le plus léger (H) lancement de la physique subatomique

32 Les rayons cathodiques Crookes Thomson

33 La décennie révolutionnaire Rayons cathodiques : électrons (1897) Rayons X (Röntgen, 1895) nature incertaine jusqu à von Laue (1912) Radioactivité de l uranium (Becquerel, 1896) : P. et M. Curie, E. Rutherford, P. Villard... comprennent qu il y a plusieurs types de radioactivité (α, β, γ) : découverte d un nouveau rayonnement... le rayonnement cosmique!

34 L électroscope Électroscope chargé les bras se repoussent Soumis à un rayonnement énergétique, l air se trouve partiellement ionisé, et les charges électriques sont évacuées L électroscope se décharge plus vite si le rayonnement est plus intense

35 Décharge spontanée! 1901: Wilson note que la décharge est identique à la surface de la Terre et dans un tunnel profond 3.5 ions/cm 3 Rutherford montre que c est dû à la radioactivité naturelle (roches + contamination de l équipement) (au lieu des 0.4 ions/cm 3 attendus) 1910 : Théodore Wulf travaille au sommet de la tour Eiffel, et montre que le rayonnement est nettement supérieur à ce qui est attendu! Mystère! 6 ions/cm 3

36 Viktor Hess, à l assaut du ciel! Viktor Hess, en 1912

37 12h15 : atterrissage près de Pieskow (Brandenburg) 7 août h45 : altitude maximale (5350 m) 06h12 : départ de Ústí (Bohême)

38 Augmentation du rayonnement Altitude 10 km 8 km Synthèse des mesures de Hess et de Kolhörster ( ) 6 km 4 km 2 km 0 km Intensité du rayonnement Intensité du rayonnement

39 Augmentation du rayonnement Altitude 10 km 8 km Synthèse des mesures de Hess et de Kolhörster ( ) 6 km 4 km Le rayonnement vient du cosmos!!! 2 km 0 km Intensité du rayonnement Intensité du rayonnement

40 Naissance d une nouvelle physique : physique atomique, physique quantique, physique des particules... Rôle majeur du rayonnement cosmique, comme source de particules produisant des interactions à très haute énergie La transmutation devient très vite banale! 1911: E. Rutherford découvre le noyau atomique 1919: E. Rutherford découvre le proton 1930: P. Dirac prédit l anti-électron (positon) 1932: C. Anderson le découvre par hasard dans une trace de rayon cosmique 1932: J. Chadwick découvre le neutron 1936: Neddermeyer et Anderson découvrent le muon (200 fois plus lourds que l électron) 1936: Yukawa prédit la particule de masse intermédiare pion (interactions au sein des noyaux) 1947: Powel la découvre! : découverte des particules étranges (K, Λ, Ξ, Σ)

41 De l interdit à la banalité... Rien ne se perd, rien ne se créé, Ce qui est ne peut pas ne pas être, et l être ne peut émerger du non-être... Cela reste vrai, mais avec l accès à des énergies plus élevées, un plus grand niveau de profondeur peut être atteint pour la description matérielle du monde À l échelle des molécules, c est-à-dire à l échelle d énergie de la chimie, la diversité physique apparente traduit la variété des arrangements et des combinaisons d atomes immuables À l échelle des constituants de noyaux d atomes, c est-à-dire à l échelle d énergie nucléaire, la diversité chimique apparente traduit la variété des arrangements et des combinaisons de nucléons immuables (protons ou neutrons) À cette échelle, passer d un noyau à l autre est parfaitement banal! C est ce qu on appelle une interaction nucléaire...

42 Protons, neutrons : frères nucléaires Protons et neutrons interagissent au sein des noyaux atomiques via l échange de gluons (interaction forte) n p (charge nulle) (charge +) Ils peuvent aussi se changer l un en l autre, en émettant ou en absorbant électron et anti-neutrino, ou anti-électron et neutrino (interaction faible) p n νe e +

43 Stabilité nucléaire Le neutron est légèrement plus massif que le proton : il est donc instable et se désintègre spontanément pour former un proton avec une durée de vie typique d une dizaine de minutes En revanche, dans un noyau, le neutron est stabilisé par les interactions continuelles La stabilité d un noyau spécifique dépend d un dosage entre le nombre de protons et le nombre de neutrons, selon les lois de la physique nucléaire, supposées connues dans leur principe, mais très difficiles à calculer en pratique

44 Numéro atomique Les atomes de la chimie sont caractérisés par leur capacité à se lier de manière électromagnétique à d autres atomes, et donc leur nombre d électrons (charges négatives) Dans un atome non ionisé (neutre), le nombre d électrons est égal au nombre de protons (charges positives), et le nombre de neutrons (charges nulles) n a aucune importance La signature d un atome est donc son nombre de protons, appelé numéro atomique

45 Petits arrangements entre amis... Changer de noyau, et donc d élément chimique, c est simplement réarranger les constituants élémentaires (à cette échelle d énergie) que sont les nucléons (protons et neutrons) 1 H 2 H 3 He 4 He 9 Be 12 C

46 Partie IV La nucléosynthèse primordiale

47 L évolution de l univers Découverte majeure : l espace-temps, c est-à-dire le cadre même de la réalité physique, n est pas immuable! Théorie de la Relativité Générale lien entre la métrique de l espace-temps et le contenu énergétique/matériel de l univers Implications cosmologiques : les distances entre des points de coordonnées fixes dans l espace varient! Albert Einstein ( ) Observation : l univers est en expansion!

48 Big bang : un passé chaud et dense Attention aux mots Big bang : rien n explose dans l univers primordial! Ce sont les distances qui varient... En remontant le temps à partir de l état actuel de l univers, on sait que la température et la densité de l univers augmentent... En allant vers le passé, on trouve des particules de plus en plus énergétiques, jusqu à atteindre des énergies nucléaires! Les réactions nucléaires sont inévitables : les noyaux, quels qu ils soient, où qu ils soient, sont bombardés de particules qui les cassent en nucléons élémentaires.

49 L univers primordial Milieu homogène constitué de toutes les particules capables d être créés à la température du moment (ou d avoir survécu depuis une époque antérieure) et de survivre à la température du moment. p n νe e + γ

50 L univers primordial L abondance relative des différentes particules présentes est fixée par la condition d équilibre thermodynamique, pour celles qui sont à l équilibre (c est-à-dire celles qui interagissent suffisamment avec le bain ambiant )... p n νe e + γ

51 Des nucléons individuels aux noyaux La nucléosynthèse la synthèse des noyaux débute à partir des nucléons individuels, et procède par fusion À t = 0,007 seconde après l horizon zéro (vu de maintenant) T = 10 MeV ~ K p n νe e + γ protons, neutrons, (anti)électrons, (anti)neutrinos, photons Les nucléons s apparient, mais sont tout de suite détruits! + = + = + + L univers matériel consiste en noyaux d hydrogène et neutrons isolés

52 Des nucléons individuels aux noyaux Comme l univers est en expansion, la température décroît et la densité aussi. Les interactions sont alors moins nombreuses et moins violentes. p e - n νe L équilibre entre les neutrons et les protons, réalisé par l interaction faible avec les électrons et les neutrinos, cesse d être maintenu lorsque T ~ 0.7 MeV, à t = 1,5 secondes après l horizon zéro le nombre de protons et neutrons est alors fixé à jamais... neutrons/protons ~0,16...sauf que les neutrons sont instables et décroissent en protons (en 10 minutes) : si on veut les inclure dans des noyaux, il faut faire vite! p n νe e +

53 Des nucléons individuels aux noyaux À partir de 1,5 seconde, on a des protons et des neutrons, et les neutrons commencent à décroître lentement p e - n νe Quand il n y en aura plus, on pourra dire adieu à la nucléosynthèse! Il faut faire vite! Mais la température est encore trop élevée, et dès qu on forme du deutérium, il est brisé et détruit! + = + = + +

54 Des nucléons individuels aux noyaux À t = 180 secondes, quand T = MeV, le deutérium peut enfin se former sans être immédiatement détruit! + = = 2 EURÊKA! La nucléosynthèse est sauvée! La synthèse des noyaux peut démarrer à partir des nucléons individuels, et procèder... selon les lois de l arithmétique élémentaire! = 2 Deutérium = = 3 Tritium Hélium-3

55 ... fin de la séance du 7 janvier