couche nucléaire

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 ».

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.

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.

Un solide vu au microscope n'est pas du tout un monolithe. Dans un verre, un polymère ou une résine figée, les atomes sont disposés de manière désordonnée, et de ce fait les propriétés du matériau varient d'un point à l'autre. À grande échelle, nous avons l'habitude de les décrire par des champs lisses, comme la température ou la pression dans une pièce.

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.

Le noyau atomique n'est pas un simple mélange de protons et de neutrons. Les particules s'y organisent en couches, comme les spectateurs dans un stade : les rangées du bas sont remplies, et chaque proton ou neutron supplémentaire cherche une place dans les gradins supérieurs.

Deux pendules suspendus à un fil commun échangent leur mouvement : poussez l'un, l'autre se met à osciller, et un instant plus tard, le premier reçoit une impulsion en retour. Dans l'atome de thorium-229, l'énergie circule de la même manière entre la couche électronique et le noyau, avec très peu de pertes.

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.

Les étoiles à neutrons sont des sphères ultra-denses formées des restes d'étoiles explosées. Certaines d'entre elles sont observées comme des pulsars — des phares cosmiques émettant des sursauts radio. Ce qui se trouve à l'intérieur est longtemps resté une énigme.

Une casserole de bouillie bouillante, où au lieu de grains se trouvent des couches d'oxygène et de silicium, et où le feu en dessous est sur le point de s'éteindre, l'étoile s'effondrant sur elle-même.

Dans l'image habituelle, les trous noirs sont les champions absolus de la densité : toute leur matière est comprimée en un point. C'est comme si toute la masse de l'Everest tenait dans un grain de sel. Mais des physiciens ont trouvé une astuce théorique.

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.

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.

Bien avant cela, Fritz Zwicky avait prédit qu'après l'explosion d'une supernova naissait une minuscule étoile à neutrons. Des années plus tard, Jocelyn Bell Burnell en a capté les pulsations, découvrant les pulsars.

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.