fer

Chaque automne, le ruisseau Issaquah, dans l'État de Washington, se transforme en maternité pour des milliers de saumons. Les poissons arrivent, pondent leurs œufs et meurent, et l'eau emporte leurs traces moléculaires : fragments d'ADN, ARN à courte durée de vie, marques chimiques apposées sur le texte génétique.

Le faisceau d'un microscope électronique voyage habituellement dans le vide, comme un coursier sur une autoroute déserte. Toute molécule d'air est pour lui une bosse qui le fait tressauter et perdre sa direction. C'est pourquoi, auparavant, pour examiner un échantillon, on le congelait, le séchait ou le recouvrait de métal, et on ne regardait toujours que sous vide.

Imaginez trois témoins qui ont vu le même événement. Deux racontent la même histoire, le troisième diffère. À qui se fier ? C'est exactement la situation à laquelle les astronomes sont confrontés en mesurant le carbone dans l'étoile J0815+4729, un objet très ancien avec une teneur en fer exceptionnellement basse (carbone est l'un des éléments…

À 40 années-lumière de nous se trouve une étoile longtemps passée inaperçue : TRAPPIST-1 émet dans l'espace deux mille fois moins de lumière que le Soleil. En revanche, elle possède sept planètes de la taille de la Terre, dont trois orbitent dans la zone où l'eau pourrait rester liquide. Mais on savait peu de choses sur l'étoile elle-même, sur sa chimie interne.

Une étoile à neutrons est ce qui reste après l'explosion d'une étoile massive. La matière y est comprimée si fort qu'une cuillère à café pèserait des milliards de tonnes. Dans ces conditions, les protons et les neutrons peuvent se réarranger, et de nouvelles particules apparaissent – les hypérons, semblables aux neutrons mais contenant un quark « étrange ».

Dans le cristal en couches CrSBr, les moments magnétiques des atomes sont alignés comme des notes sur une partition : au sein de chaque couche, ils pointent dans la même direction, mais d'une couche à l'autre, ils pointent en sens opposés. Cette mélodie antiferromagnétique résonne jusqu'à 132 kelvins, au-delà, l'agitation thermique détruit l'ordre.

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.

Le Soleil est une immense chaudière où la lumière se fraye un chemin à travers une épaisse couche de matière incandescente. Sur le chemin vers la surface, les photons (particules de lumière) heurtent sans cesse les atomes et perdent de l'énergie.

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.

À l'intérieur des réacteurs détruits de Fukushima reposent des centaines de tonnes de combustible fondu — un mélange d'uranium, de zirconium, de fer et de produits de fission. Ces débris sont appelés débris de combustible. Ils devront être extraits, transportés et emballés de manière sûre pour des décennies.

Le noyau de carbone a longtemps été imaginé comme une sphère homogène de protons et de neutrons, mélangés uniformément, comme une pâte à tarte.

Dans le cœur brûlant d'une étoile, deux noyaux d'hélium se rapprochent comme deux danseurs sur une scène bondée. Leur danse, c'est la diffusion alpha, fondement de la combustion de l'hélium stellaire hélium]. La fluidité de leurs pirouettes détermine la vitesse à laquelle l'étoile consomme son carburant.

Au plus profond de la Terre, le fer est chauffé à blanc, et la pression y est telle qu'un instrument ordinaire serait écrasé comme une crêpe. Pour explorer ce monde, des physiciens ont mis au point un microscope spécial basé sur de minuscules défauts dans le diamant (les centres NV).

Une casserole de bouillie qui bout à feu vif : les bulles remontent les grains du fond à la surface. Un mécanisme similaire opère sur une étoile à neutrons. Accumulant hydrogène et hélium de l'étoile voisine, elle déclenche de temps à autre une explosion nucléaire puissante — un sursaut X.

Un marathonien cosmique sur courte distance – c'est ainsi que l'on pourrait décrire la planète GJ 367 b. Elle fait le tour de son étoile en 7,7 heures. C'est un monde exoplanète à peine plus petit que la Terre, mais avec du caractère : on le croyait autrefois presque une boule de fer pur.

L'amas de galaxies de Persée est une mégalopole géante de milliers d'îles stellaires, baignée dans un océan invisible de gaz surchauffé. Ce gaz, telle une brume urbaine, conserve les traces de toutes les usines chimiques qui ont fonctionné dans les galaxies pendant des milliards d'années : les explosions de supernovae qui dispersent des atomes fraîchement forgés.

Au plus profond sous nos pieds, dans le manteau incandescent, le fer mène une double vie. Il peut être bivalent ou trivalent — comme une pièce qui retombe sur pile ou face. De quel côté penche la balance dépend la quantité d'oxygène qui reste dans l'enveloppe rocheuse de la planète et celle qui part dans le noyau.

Le pendule le plus précis du monde n'est pas une tige d'acier, mais un minuscule noyau atomique. L'isotope thorium-229 possède un état excité particulier : pour y faire passer le noyau, il faut très peu d'énergie — environ celle d'un laser ultraviolet.

Le noyau atomique ressemble à un bus bondé. Pour faire de la place, un groupe de deux protons et deux neutrons – le noyau d'hélium, la particule alpha – sort par la porte avant : c'est la désintégration alpha, décrite par George Gamow comme un tunnel sous la barrière d'énergie.

Un glaçon dans un thé chaud fond exactement à zéro degré. Mais si la glace est faite de particules subatomiques et que le thé est de la matière nucléaire surchauffée ?

Une bouteille en acier qui a longtemps contenu de l'hydrogène peut parfois se briser non pas le long des joints de grains habituels, mais directement à travers les grains cristallins, laissant un motif étrange — comme si la fissure avait choisi le mauvais chemin. Pendant longtemps, on a observé ce phénomène en se demandant pourquoi.

Un archéologue tient entre ses mains non pas un tesson d'argile, mais une véritable étoile — un moulage vivant de l'époque où l'Univers apprenait tout juste à produire quelque chose de plus lourd que le lithium. C'est exactement ce genre de découverte que décrivent des astronomes dans une nouvelle étude.

L'acier n'est pas un monolithe, mais une mosaïque de grains microscopiques soudés les uns aux autres. Leurs jonctions — les joints de grains — sont le point le plus vulnérable : c'est là que les fissures commencent.

Le noyau atomique n'est pas une boule monolithique, mais un essaim dense de particules minuscules, les quarks, collés par une colle spéciale (l'interaction forte).

Une toupie tourne si vite qu'elle menace de se désintégrer. Ajoutez-lui un aimant surpuissant — si puissant que s'il remplaçait la Lune, il effacerait les données de toutes les cartes de crédit sur Terre. Voilà un magnétar : un reste ultra-dense d'étoile explosée, une concentration de matière où une cuillère à café pèse autant qu'une montagne.

La croûte externe d'une étoile à neutrons ressemble à un gâteau en couches, chaque couche ayant une garniture bien précise. C'est un réseau cristallin de noyaux atomiques baignant dans une mer d'électrons. Plus on descend, plus la pression est forte – et plus les noyaux qui peuvent y exister sans se désintégrer sont lourds.

Un immeuble à plusieurs étages où vivent des protons et des neutrons à chaque niveau. Les étages représentent les niveaux d'énergie, et habituellement, entre le sixième étage et le suivant, il y a une cage d'escalier d'une certaine hauteur – ce qu'on appelle une lacune. Dans le noyau de l'atome d'oxygène-20, cette lacune joue le rôle d'une barrière difficile à franchir pour les particules.

La croûte d'une étoile à neutrons n'est pas une simple enveloppe solide. Sous un poids de milliards de tonnes par centimètre carré, les atomes perdent leurs électrons, et les noyaux restants s'organisent en un réseau cristallin rigide, semblable à un nid d'abeilles, mais fait d'une matière un trillion de fois plus dense que l'acier.

Dans un jardin où les premières fleurs non seulement s'épanouissent, mais laissent aussitôt tomber leurs graines bien au-delà de la clôture, il y a quelque chose d'incroyablement généreux. Quelque chose de semblable se passait dans l'Univers jeune.

La planète rouge est entourée de débris de mondes avortés — des blocs de pierre remplis de métal. Envoyer un kilogramme d'acier de la Terre vers Mars coûte autant que plusieurs voitures. Il est bien moins cher de récupérer de la ferraille spatiale directement en orbite.

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.

On pensait autrefois que l'hydrogène se mélangeait à peine au fer liquide à basse pression, donc on ne l'attendait pas dans le noyau lunaire. De nouvelles expériences ont renversé cette vision.

Le cristal de fer ressemble à une mosaïque de nombreux grains étroitement tassés. Là où un grain rencontre un autre, apparaît un joint — une couture étroite avec un ordre perturbé. C'est précisément dans ces coutures que se cachent des surprises pour le magnétisme. Les scientifiques ont calculé comment les atomes de fer interagissent entre eux sur trois types de ces joints.

À l'intérieur de la Terre se trouve un noyau de fer solide de la taille de la Lune. Il flotte dans du métal liquide et oscille légèrement, comme un noyau de pêche dans le fruit si on le secoue. Ces oscillations sont appelées modes de Slichter : le noyau se déplace tantôt le long de l'axe de la planète, tantôt transversalement.

La poussière de fer brûle comme un minuscule feu d'artifice : flash, chaleur, étincelles. Pour que ce feu d'artifice devienne un combustible sûr pour les centrales électriques, il faut savoir exactement quand et comment une particule s'enflamme.

Quand un boulanger pétrit sa pâte, chaque grain de farine peut révéler de quel moulin il vient. Il en va de même pour la Terre : la composition du fer dans ses profondeurs garde la mémoire de l'origine des fragments qui ont formé la planète.

En 1978, des physiciens bombardaient une cible avec un faisceau d'ions et mesuraient la rapidité avec laquelle ceux-ci ralentissaient dans la matière. Grâce au décalage Doppler des rayons gamma, ils calculaient la durée de vie des états excités du noyau.

Une batterie au lithium ressemble à une maison avec un débarras : pendant la charge, le lithium entre à l'intérieur, pendant la décharge, il sort. Mais si le débarras est encombré, une partie du lithium reste à l'intérieur pour toujours. La quantité de lithium qui revient dépend du métal dont sont faits les murs du débarras.

Dans les entrailles d'une étoile mourante, avant l'explosion de la supernova, des réactions nucléaires déterminent quels éléments chimiques seront dispersés dans l'espace.

Le gaz d'une galaxie brille comme une enseigne au néon, et c'est en observant la couleur de cette lueur que les astronomes déterminent sa température. La logique est simple : plus le gaz contient d'éléments lourds (que les astronomes appellent « métaux »), plus il se refroidit efficacement. Les galaxies riches en métaux devraient donc être plus froides.