stabilité nucléaire

Pour connaître la taille du nuage de protons dans un noyau atomique, les physiciens font entrer en collision un noyau instable avec une cible et observent combien de protons il perd. Plus le noyau projectile est gros, plus il heurte fréquemment les noyaux de la cible et perd des particules.

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.

La fusion de deux étoiles à neutrons n'est pas qu'une simple collision. Avant même de se toucher, elles se déforment mutuellement sous l'effet des forces de marée, et cette déformation dépend de la « souplesse » ou de la « rigidité » de la matière à l'intérieur. La matière rigide résiste davantage, la matière souple change plus facilement de forme.

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.

Une étoile à neutrons est un chaudron bouillonnant de la taille d'une ville, mais avec une masse d'un soleil et demi. Dans ses profondeurs, la matière est comprimée au point que les noyaux atomiques perdent leur sens.

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.

En 2021, l'observatoire LHAASO a détecté des rayons gamma d'énergie supérieure à l'électron-volt-péta provenant de sources comme la nébuleuse du Crabe — un reste d'explosion de supernova au centre duquel pulse une étoile à neutrons.

Huit cents participants — entreprises et travailleurs — entrent sur le marché. Chacun a en tête une liste de préférences stricte. L'objectif : se répartir en paires de sorte que personne ne soit tenté de tout recommencer.

Une étoile à neutrons, c'est une ville compressée aux dimensions d'une métropole, où la matière est condensée à l'extrême. Au centre même de cette ville, une restructuration peut commencer : les neutrons et protons familiers cèdent la place à un plasma de quarks — les quarks libres qui composent presque tout ce qui nous entoure.

Une corde sonne parfaitement pur tant qu'un courant d'air ne la touche pas. C'est à peu près ainsi que fonctionne un laser superradiant : un faisceau d'atomes, préalablement chargés d'énergie, traverse une pièce faite de deux miroirs — le résonateur optique (un piège où la lumière rebondit d'avant en arrière).

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.

Quelque part dans le bulbe galactique, une étoile massive sommeille, prête à troquer sa combustion paisible contre un effondrement.

Un enfant sur une balançoire : une poussée trop forte, et il s'envole. C'est à peu près ainsi que la lumière intense arrache les électrons des atomes. On pourrait croire que plus la poussée est forte, plus la destruction est certaine. Mais dans le monde quantique, tout est différent : lorsque la force du champ franchit un certain seuil, l'atome se fige soudainement.

Un patineur sur glace ramène ses bras contre son corps et sa rotation s'accélère brusquement. Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant et que son noyau s'effondre, un phénomène analogue se produit, mais à l'échelle cosmique.

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.

Quand une soupe chaude refroidit, des grumeaux se forment à la surface — de même, l'Univers primordial, en refroidissant, a engendré des filaments d'énergie, les cordes cosmiques. Certaines ressemblent à un élastique tendu : tant qu'il est intact, il est stable. Mais si on l'entaille, il se rompt.

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).

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.

Sur une étoile à neutrons — le résidu ultra-dense d'une étoile qui a explosé — du gaz tombe en permanence. Ce gaz s'accumule aux pôles magnétiques et y forme une montagne. Mais une montagne sur une étoile à neutrons ne ressemble pas à une montagne terrestre : elle n'est pas maintenue par de la roche, mais par les lignes de force du champ magnétique, comme de la limaille de fer sur un aimant.

La collision de deux noyaux de plomb au Grand collisionneur de hadrons, c'est comme se lancer deux lourds sacs de billes. En général, les billes s'éparpillent dans tous les sens, mais parfois un sac passe si près que les billes ne se heurtent pas, mais échangent seulement des regards.

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.

La densité au centre d'une étoile à neutrons est telle qu'une cuillère à café de sa matière pèserait autant qu'une montagne. Les physiciens cherchent depuis longtemps à comprendre à quel point une telle étoile peut être massive avant de s'effondrer en trou noir.

Une horloge atomique, c'est un pendule qui tique à la fréquence de la lumière. Dans un piège, un ion d'aluminium est suspendu, et un laser le sonde comme un diapason. Si la fréquence du laser coïncide avec la fréquence propre de l'atome, celui-ci répond. C'est sur cette réponse que l'on règle la marche de l'horloge.

Lorsqu'un neutron ou un proton pénètre dans un noyau atomique, il se comporte comme une balle qui frappe un mur irrégulier : la rebond peut varier selon l'endroit où il touche.

Une étoile à neutrons est le noyau mort d'une étoile qui a explosé, compressé à la taille d'une ville. Si une étoile ordinaire se trouve à proximité, l'étoile à neutrons aspire sa matière comme un aspirateur. Cette matière tombe à la surface et forme une croûte – une couche solide de noyaux atomiques riches en neutrons.

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.

Dans un tokamak, le plasma est comme une foule dans une rue étroite : dès que quelqu'un se met à courir, tout le monde s'emballe d'un coup. Dans un stellarator à section non circulaire, la rue est sinueuse, avec des impasses et des recoins. La foule ne peut pas se rassembler en une seule vague — les gens restent coincés dans différents coins.

Dans les années trente, Wolfgang Pauli comprit que sans de minuscules particules fantômes, l'énergie des étoiles ne quadrait pas. Ainsi naquirent les neutrinos — d'insaisissables vagabonds qui traversent tout.

Les horloges atomiques classiques reposent sur la spectroscopie — le comptage des oscillations des électrons. Les horloges nucléaires au thorium-229 s'appuient sur le noyau lui-même.

Les rayons cosmiques sont des noyaux atomiques accélérés à des vitesses proches de celle de la lumière. Ils arrivent sur Terre de toutes les directions, et leur composition nous renseigne sur ce qui se passe dans les recoins lointains de la Galaxie.