deutérium

À l'intérieur de l'acier d'un futur réacteur de fusion se forment de minuscules bulles d'hélium, et sur leurs parois se joue un drame chimique. Les atomes de chrome et de tantale, tels des gardiens, prennent place à la limite de la cavité et changent les règles du jeu pour l'hydrogène.

Dans les entrailles des sub-Neptunes, ces planètes les plus nombreuses de la Galaxie mais sur lesquelles on ne peut pas se tenir, le magma silicaté et l'hydrogène se mélangent en un cocktail supercritique unique.

Les piles atomiques fonctionnant sur la désintégration du plutonium alimentent depuis plus de soixante ans les stimulateurs cardiaques et les sondes spatiales. Mais la matière première est rare : dans le monde entier, on ne produit que quelques kilogrammes de plutonium-238 par an, et cela suffit tout juste pour les missions les plus importantes.

En physique nucléaire, une énigme demeurait : pourquoi, parmi les éléments plus légers que le bismuth, seuls le technétium (n°43) et le prométhium (n°61) ne possèdent-ils aucun isotope stable ? Tous leurs voisins du tableau périodique peuvent se vanter d'avoir au moins une variante à longue durée de vie, mais ces deux-là semblent échapper à la règle générale.

Trois minutes après le Big Bang, l'Univers jouait sa première symphonie. C'était la nucléosynthèse du Big Bang — la formation des noyaux légers, où chaque élément sonnait sa note, et le tempo était donné par l'expansion de l'espace.

L'eau dans un verre semble continue, mais elle est faite de molécules. C'est un peu ainsi que les physiciens ont longtemps décrit la matière à l'intérieur d'une étoile à neutrons : comme une soupe homogène de protons et de neutrons. Mais les vraies étoiles à neutrons ne sont pas une soupe. C'est une foule dense de particules où chaque neutron sent la présence de ses voisins.

L'eau n'est pas toujours la même. Elle peut être douce ou salée, mais aussi « lourde » — si dans sa molécule, au lieu de l'hydrogène ordinaire, se trouve le deutérium, son cousin plus massif. On appelle cette eau HDO, et c'est un véritable passeport cosmique : la quantité de deutérium dans l'eau révèle où et quand cette eau est née.

Dans une pièce silencieuse, on peut entendre le murmure le plus faible. De même, dans l'atome d'hydrogène — le plus léger de tous — il est plus facile de remarquer un visiteur indésirable. Ce visiteur pourrait être le boson Z', une particule médiatrice d'une nouvelle force, prédite par de nombreuses théories d'unification.

Au centre de chaque atome se trouve un noyau, une boule dense de protons et de neutrons. Ces particules ne s'entassent pas au hasard, mais occupent des niveaux d'énergie stricts, semblables aux étages d'un gratte-ciel. Lorsqu'un étage est complètement rempli, le noyau devient particulièrement stable – les physiciens appellent cela un nombre magique.

L'eau n'est pas qu'une substance mouillée. À l'échelle des picosecondes, elle ressemble à une piste de danse où les molécules ne cessent de rompre et de créer des liaisons entre elles. Habituellement, cette danse est décrite par un mouvement principal : la relaxation collective, comme si toute la foule ralentissait d'un coup après l'arrêt de la musique.

En physique nucléaire, on a longtemps cru que deux neutrons ne pouvaient pas former un état lié — ils s'attirent trop faiblement et se séparent aussitôt. Cependant, à la surface des noyaux riches en neutrons, où la densité de matière chute à des millièmes de la densité nucléaire normale, la situation change radicalement.

La collision de deux étoiles à neutrons est un laboratoire cosmique où la matière est comprimée à des densités inimaginables. Dans les premiers instants après la fusion, un nuage brûlant se forme et se refroidit en émettant des neutrinos.

Dans les profondeurs de l'océan, là où la lumière ne parvient pas, naît un plan pour capturer des particules qui n'interagissent presque avec rien. Les géoneutrinos, de minuscules messagers venus du manteau incandescent, sont émis lors de la désintégration de l'uranium et du thorium.

Une planète de la taille de Neptune, mais chauffée à blanc. Sous les nuages, un océan de magma capable d'absorber toute une atmosphère d'hydrogène. Le nouveau modèle SEAMIST a pour la première fois suivi comment une telle dissolution change le destin de la planète, de sa naissance à sa vieillesse.

Les noyaux des atomes sont enveloppés dans de gros manteaux de fourrure électronique – avec une telle tenue, impossible de se faire un câlin. Mais remplacez le manteau léger par un lourd : le muon, une particule du modèle standard, comprime le nuage près de 200 fois.

Une clôture invisible barre le détroit. On ne peut ni l'escalader ni plonger en dessous : elle n'est pas faite d'acier, mais d'un flux de particules qui traversent la colonne d'eau. C'est ainsi que l'on peut décrire l'idée de détecter les sous-marins nucléaires grâce à leur émission d'antineutrinos.

Dans un cristal d'eau et de soude caustique, les atomes d'oxygène et de césium restent en place, comme des perles dans un treillis rigide. Les atomes d'hydrogène, eux, se comportent autrement : ils sont comme des passagers qui changent constamment de siège.

Une balle roule vers une colline, mais elle n'a pas assez d'énergie – elle redescend. C'est ce que dicte la mécanique classique. Dans le monde quantique, une particule minuscule traverse parfois la colline comme si l'obstacle n'existait pas. Ce tour de passe-passe – l'effet tunnel – est monnaie courante pour l'atome léger d'hydrogène.

La fusion d'un proton avec du bore-11 promet une énergie sans neutrons nocifs – seulement des particules chargées, facilement convertibles en électricité.

L'azote — ce même gaz que nous respirons — se comporte comme un métal capricieux sous une pression d'un million d'atmosphères. Dans une cellule à enclumes de diamant, on le comprime jusqu'à 78–98 gigapascals et on le chauffe au laser jusqu'à 1800–2500 kelvins.

Une lumière polarisée circulairement tombe sur un proton. La particule peut absorber le photon ou le repousser, selon l'orientation de son propre spin, cette petite toupie interne.

Au Grand collisionneur de hadrons, ce ne sont pas seulement les noyaux qui entrent en collision, mais aussi des protons individuels. Même dans de si petits systèmes, on observe un comportement collectif semblable à l'écoulement d'un fluide.

Si le noyau d'un atome est une famille, dans la maison de l'hélium ordinaire vivent deux protons et deux neutrons, solidement main dans la main. Imaginez maintenant qu'un des membres de la famille soit un excentrique qui aime se promener loin de la maison.

Les neutrinos sont de minuscules particules qui traversent la planète comme la lumière traverse une vitre. Chaque seconde, des milliards de ces particules traversent l'ongle de votre petit doigt, mais en attraper ne serait-ce qu'une est un véritable défi.

Sous nos pieds, dans l'épaisseur de la planète, se déroule une lente désintégration d'éléments radioactifs. Elle engendre de minuscules particules : les géoneutrinos. Elles traversent la croûte terrestre, le manteau et le noyau sans presque interagir avec la matière.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers a préparé un cocktail d'hydrogène, d'hélium et d'une pincée de lithium.

Un réacteur nucléaire classique ressemble à une chaudière où le combustible brûle uniformément dans tout le volume. Ici, le tableau est différent : le long d'une barre cylindrique en carbure d'uranium rampe lentement une onde de fission — une zone étroite où les atomes se scindent et dégagent de la chaleur.

La comète 3I/ATLAS a été repérée alors qu'elle entrait dans le Système solaire depuis l'espace interstellaire.

L'hydrogène est le champion de l'énergie par kilogramme, mais le stocker est une vraie galère. Sous forme de gaz, il occupe un volume énorme, et si on le comprime ou le refroidit pour le liquéfier, il faut des bouteilles lourdes et beaucoup d'énergie.

Le noyau atomique suit généralement ses propres lois : sa désintégration ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni des voisins dans la molécule. Mais l'isotope uranium-235m fait exception. Ce noyau est dans un état excité, comme un ressort tendu, et il finit par libérer son excès d'énergie.

Chaque fois que du deutérium et du tritium fusionnent dans un réacteur à fusion, un neutron rapide est émis. Il peut transformer certaines substances en d'autres, par exemple créer des isotopes précieux pour la médecine. Aujourd'hui, ces neutrons coûtent une fortune, car il existe peu d'installations expérimentales et elles fonctionnent rarement.

Au Grand collisionneur de hadrons, on fait entrer en collision des protons avec des noyaux de plomb. Au moment de l'impact, des centaines de nouvelles particules naissent, et certaines s'échappent en faisceaux étroits — les gerbes.

À l'intérieur du futur réacteur à fusion, un aimant aussi lourd qu'une petite voiture flottera en lévitation. Il maintient le plasma surchauffé comme une main invisible tient un nuage. Autrefois, un tel aimant était jugé inadapté au combustible deutérium-tritium : les flux de neutrons le détruisaient rapidement.

Une multitude d'atomes peuvent agir comme un orchestre bien réglé : si chacun émet de la lumière à l'unisson avec les autres, l'éclat est multiplié. C'est la superradiance — un phénomène bien étudié en laboratoire, mais presque jamais recherché dans l'espace.

La planète HIP 67522 b est toute jeune : elle n'a que 17 millions d'années, alors que la Terre en a 4,5 milliards. C'est un Jupiter chaud — une géante gazeuse qui orbite très près de son étoile, ce qui rend son atmosphère brûlante et gonflée.

Chaque année, aux seuls États-Unis, les médecins réalisent plus de 16 millions d'examens avec l'isotope radioactif technétium-99m. Il illumine sur les images le cœur, les os, les poumons, aide à repérer une tumeur ou à vérifier la circulation sanguine. Mais cet isotope ne vit que six heures, on ne peut donc pas le stocker : il faut un approvisionnement constant.

En chimie, il existe deux mondes : dans l'un, le catalyseur est une particule solide sur laquelle la réaction se produit en surface ; dans l'autre, c'est une molécule dissoute où tout se passe autour d'un centre métallique unique. Ces mondes se rencontrent rarement. Mais dans ces nouveaux travaux, ils se sont rejoints.

Dans les premières minutes qui ont suivi le Big Bang, l'Univers ressemblait à une cuisinière brûlante. Selon la « recette » du modèle standard de la cosmologie, cette nucléosynthèse primordiale devait produire de l'hydrogène, de l'hélium et un peu de lithium.

Uranus et Neptune ont longtemps laissé les scientifiques perplexes : leurs champs magnétiques sont fortement inclinés et désordonnés, pas du tout comme celui de la Terre. L'explication se cachait dans une forme inhabituelle de eau — la glace superionique, qui remplit leurs entrailles.

Pour que deux noyaux atomiques fusionnent, il faut surmonter leur répulsion électrique féroce — comme si l'on tentait de faire s'accoupler deux taureaux furieux. Dans des conditions normales, seule une énergie colossale, comme celle des cœurs stellaires, peut y parvenir, là où Hans Bethe expliquait déjà la fusion dans les années 1930.