noyaux à halo

Dans une cuve contenant trois tonnes de xénon liquide, cachée profondément sous terre, quelque chose a bougé un jour. Pas le xénon lui-même, mais l'un de ses noyaux atomiques : il a reçu une impulsion de 248 keV et a rebondi comme une boule de billard heurtée par une boule invisible.

Le noyau atomique n'est pas un sac de billes, mais une structure ordonnée où les protons et les neutrons remplissent des couches, comme les électrons dans l'atome. Lorsqu'une couche est pleine, le noyau devient particulièrement stable, et le nombre de particules est dit magique.

Le noyau atomique n'est pas toujours rond comme une boule de billard. Certains noyaux s'allongent en forme de ballon de rugby, d'autres deviennent semblables à une poire — avec une extrémité plus épaisse que l'autre.

Le noyau d'un atome est souvent représenté comme une boule dense où protons et neutrons sont mélangés. Mais chez certains isotopes, les neutrons peuvent s'étendre bien au-delà de cette boule, formant une coquille diluée — un halo de neutrons. Cela arrive surtout avec les noyaux qui ont beaucoup plus de neutrons que de protons.

Erwin Schrödinger se demandait comment la vie maintient l'ordre malgré le deuxième principe de la thermodynamique. Il ne pouvait imaginer qu'une partie de la réponse se cachait dans l'instabilité des étoiles géantes.

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.

Pendant longtemps, les astronomes ont cherché les « usines » des rayons cosmiques les plus énergétiques, ces particules qui portent en elles le macrocosme compressé à l'échelle du noyau atomique. Les suspects étaient les colossales régions de formation d'étoiles comme Cygnus OB2, où les vents des jeunes géantes entrent en collision.

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.

Une supernova, c'est l'explosion finale d'une étoile massive, qui disperse sa matière sur des années-lumière. À l'intérieur de l'enveloppe en expansion subsiste une étoile à neutrons, et cette enveloppe continue de filer à travers le gaz interstellaire pendant des milliers d'années.

Pour connaître la taille réelle du proton, les physiciens ont remplacé l'électron de l'atome d'hydrogène par sa copie lourde, le muon. Tel une loupe à fort grossissement, le muon s'approche au plus près du noyau et « tâte » le proton avec une précision inégalée.

Lorsqu'un noyau atomique lourd se brise, il ne se sépare pas en deux moitiés régulières. D'abord, deux fragments apparaissent, semblables à des poires pressées l'une contre l'autre par leurs extrémités étroites. Ensuite, le point de jonction commence à s'aplatir — comme si deux gouttes fusionnaient et que la surface s'aplanissait rapidement.

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.

Un noyau atomique ordinaire ressemble à une pelote serrée : les protons et les neutrons y sont étroitement tassés. Mais pour certains noyaux légers, comme l'hélium-6, c'est tout autre chose. Deux neutrons semblent s'écarter et former autour du noyau un nuage ténu, appelé halo.

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.

Le noyau d'un atome n'est pas toujours rond. Il peut s'allonger comme un melon ou s'aplatir comme une citrouille. Et de cette forme dépend sa taille — comme de la forme de la pâte dépend la taille du gâteau. Les scientifiques ont calculé la forme et la taille des noyaux des isotopes de berkélium — un élément lourd produit dans les réacteurs.

Une poignée de pâte à modeler avec une boule collée loin sur le côté devient lâche et allongée. C'est à peu près ainsi qu'est structuré le noyau du béryllium-11 : un neutron étoile à neutrons flotte à l'écart, formant un « halo » autour du noyau dense.

Un faisceau de lumière à polarisation circulaire tombe sur un cristal de pérovskite MAPbI3. Les électrons à l'intérieur du cristal se comportent comme de minuscules toupies dont les axes s'alignent le long du faisceau. Ce phénomène est appelé orientation optique des spins.

Le noyau d'un atome a généralement une forme bien définie – allongée comme un melon, ou aplatie comme une citrouille. Mais le silicium-30 se comporte différemment : il semble incapable de décider quelle forme adopter.

Deux galaxies se rapprochent, comme un couple de danseurs qui tantôt s'écarte, tantôt se rapproche. Au moment d'un rapprochement particulièrement étroit, leur gaz se comprime et une vive lumière ultraviolette jaillit des profondeurs. C'est exactement ce qui se passe dans le système Hara 11 — la paire de galaxies en fusion la plus proche de nous qui laisse échapper une telle lumière.

Dans le nuage de gaz dense W44, où naissent les étoiles, le télescope ALMA a repéré huit minuscules amas filant à des vitesses énormes. Chacun d'eux apparaît comme une lettre V sur les cartes « position-vitesse », tout comme la « Balle » déjà connue découverte précédemment. Une telle similitude suggère une origine commune.

Dans la pouponnière stellaire HOPS-288, où se forment trois soleils, le télescope ALMA a révélé deux zones brûlantes autour de deux d'entre eux. À –170°C, la glace sur la poussière cosmique fond, et des réactions s'emballent dans le gaz : naissent des molécules organiques — méthanol et méthanoate de méthyle.

Très haut au-dessus de la calotte glaciaire de l'Antarctique, un ballon muni d'un détecteur est resté suspendu pendant vingt jours. Il captait de minuscules particules qui, depuis des millions d'années, voyagent jusqu'à nous après de lointaines explosions stellaires.