nucléosynthèse des supernovae

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.

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 ».

Lorsqu'une étoile massive explose en supernova, des noyaux lourds se forgent en quelques secondes dans ses entrailles. Parmi eux, le titane-44, un isotope radioactif qui brille ensuite pendant des années en rayons gamma.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé au point qu'une cuillère à café de sa matière pèserait aussi lourd qu'une montagne. À l'intérieur d'un tel objet, les protons et les neutrons sont tassés au plus près, et sous une pression énorme, des hyperons peuvent y apparaître — des particules contenant un quark étrange.

Une toupie tourne si vite que l'air autour d'elle se met à tourner à l'unisson. C'est à peu près ce que fait un trou noir : s'il tourne, il peut transférer son énergie aux particules qui se trouvent à proximité. Ce processus est appelé superradiance — il ressemble à un écho dans les montagnes, sauf qu'au lieu du son, ce sont de nouvelles particules qui naissent.

Dans la lointaine galaxie du Cigare, il existe un phare singulier. Il n'émet pas de lumière au sens habituel – ses rayons naissent dans un nuage surchauffé autour d'un trou noir qui dévore la matière d'une étoile voisine. De tels objets sont appelés sources de rayons X ultralumineuses. Leur éclat en rayons X est si intense qu'il éclipse des galaxies entières.

Une étoile massive épuise son carburant – et son cœur s'effondre en une fraction de seconde. Une supernova naît, accompagnée d'une pluie de neutrinos brève mais intense. Ces particules interagissent à peine avec la matière, elles s'échappent donc librement, emportant l'information sur la catastrophe.

L'explosion d'une supernova éjecte les couches externes de l'étoile mourante. Il ne reste que le noyau — une étoile à neutrons, compactée en une boule de la taille d'une ville. L'existence de telles étoiles a été prédite dès 1934 par Fritz Zwicky.

L'effondrement du cœur d'une étoile ressemble à la compression d'un ressort : la matière tombe vers l'intérieur, et une étoile à neutrons naît au centre. Mais la chute n'est jamais parfaitement régulière.

Une boule de billard en heurte une autre dans l'obscurité totale. Le bruit de l'impact et le cliquetis des billes tombant dans les poches — voilà tout ce que l'on entend. C'est à peu près ainsi que les physiciens étudient les interactions des particules élémentaires à des énergies qu'aucun accélérateur terrestre ne peut reproduire.

En juin 2024, le radiotélescope CHIME a détecté depuis la source FRB 20240114A plus de 700 sursauts radio par heure. Un tel répéteur hyperactif libère en une heure presque toute l'énergie magnétique d'un magnétar ordinaire (une étoile à neutrons au champ extrêmement puissant).

Au centre de nombreuses galaxies se cachent non seulement des trous noirs supermassifs, mais aussi d'immenses nuages de matière invisible. Si cette matière est composée de particules ultra-légères, elle peut se rassembler en amas denses — une sorte d'« étoiles » de matière noire.

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.

Une vieille usine où, au lieu de machines-outils, il y a des noyaux atomiques, et où bouillonne un rayonnement neutrino. Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son cœur se compresse d'un facteur cent, et la température grimpe à des milliards de degrés.

Deux sphères hyperdenses, chacune de la taille d'une ville, tournent en une danse. Leur masse est inférieure à celle du Soleil, mais à l'intérieur, la matière est comprimée à des limites inimaginables. L'une est une étoile à neutrons, l'autre une étoile étrange, entièrement composée de quarks (les particules élémentaires qui constituent les protons et les neutrons).

Quand deux étoiles à neutrons — les noyaux ultra-denses d'étoiles mortes — entrent en collision, une kilonova naît : une explosion mille fois plus brillante qu'une nova classique. C'est un véritable creuset cosmique.

Un bébé brûlant et un adulte glacial : la même étoile à neutrons se présente différemment selon son âge. À peine née dans l'explosion d'une supernova, elle est portée à des dizaines de milliards de degrés. Mais avec le temps, elle se refroidit et se contracte, comme un métal qui se rétracte en refroidissant.

La collision de deux étoiles à neutrons est une forge cosmique où se créent en quelques secondes les éléments les plus lourds du tableau périodique. En 2017, les détecteurs ont capté les ondes gravitationnelles d'une telle fusion, et les télescopes ont observé une lueur — une kilonova.

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.

Les soufflets de forge attisent le feu en expulsant brusquement l'air. Dans l'espace, le rôle de ces soufflets est joué par l'onde de choc d'une supernova — concept introduit par Fritz Zwicky : elle rattrape une bulle géante de particules chargées et de champs magnétiques formée autour d'une…

L'Univers est plein d'invisible. Nous connaissons la matière noire par la rotation des galaxies et les lentilles gravitationnelles, mais sa nature nous échappe depuis un siècle.

Une étoile à neutrons est une lentille gravitationnelle qui focalise nos tentatives d'apercevoir la matière noire. À travers sa matière ultra-dense, comme à travers un verre exotique, nous cherchons l'axion — une particule insaisissable capable d'expliquer la masse cachée de l'Univers.

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

Deux étoiles éteintes, de la taille de la Terre mais chacune plus lourde que le Soleil, tournent l'une autour de l'autre en se rapprochant toujours plus, jusqu'à ce que l'une percute l'autre. Le choc déclenche une explosion thermonucléaire, et naît une supernova de type Ia. Ces éruptions servent de balises cosmiques pour mesurer les distances dans l'Univers.

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.

Une ampoule qui ne grille pas, mais qui s'emballe et devient de plus en plus brillante jusqu'à faire voler en éclats tout le luminaire. C'est à peu près ainsi que meurent les étoiles les plus massives de l'Univers. Lorsque le cœur d'une étoile atteint des milliards de degrés, des paires de particules commencent à s'y créer : des électrons et leurs antiparticules, les positons.

Un interprète, lors de négociations cruciales, se met soudain à parler une autre langue – et le sens de ses propos change du tout au tout. C'est à peu près ce que font les neutrinos au cœur d'une étoile mourante. Ces particules invisibles naissent en quantités énormes lorsque le noyau de l'étoile se comprime en une boule de la taille d'une ville.

Lorsque la comète interstellaire 3I/ATLAS s'est approchée du Soleil, sa queue a brillé d'un éclat métallique — comme si une boîte de conserve remplie de nickel et de fer venait de s'ouvrir. En décomposant la lumière en couleurs, les astronomes ont enregistré les raies de ces métaux grâce à l'analyse spectroscopique.

Un interprète qui, à mi-chemin de la salle, se met soudain à traduire à l'envers. C'est à peu près ce qui pourrait arriver à un neutrino — cette particule fantôme qui ignore presque la matière — si son chemin croise un nuage de matière noire ultralégère.

Les étoiles des dizaines de fois plus lourdes que notre soleil ne meurent pas comme on le pensait autrefois. La modélisation informatique a révélé que leur cœur ne s'embrase pas souvent en supernova, mais s'effondre rapidement en un trou noir.

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

Un couteau de cuisine ordinaire en niobium, à −258 °C, se met soudain à conduire le courant sans la moindre perte. C'est le principe de la supraconductivité, et on peut l'« activer » directement à la surface du métal en la bombardant avec un laser sous atmosphère d'azote.

Une étoile à neutrons est le vestige d'une étoile explosée, comprimé à la taille d'une ville. À sa surface, un incendie thermonucléaire peut parfois se déclencher : le gaz accumulé explose comme une bombe à hydrogène géante. Après l'éruption, il reste des cendres — un mélange d'éléments lourds qui remonte à la surface et forme une atmosphère brûlante.

Un puissant projecteur éclaire un épais brouillard. On ne voit pas le faisceau lui-même, mais le brouillard se met à scintiller faiblement – et révèle la présence du projecteur.

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.

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.

Les minuscules trous noirs nés juste après la naissance de l'Univers devraient s'évaporer, cédant leur masse sous forme de particules invisibles. C'est ce qu'a prédit Stephen Hawking, et cette « évaporation de Hawking » contribuait à l'expansion du jeune monde.

Au cœur d'une étoile massive, avant l'explosion, les couches sont empilées comme les pelures d'un oignon. Parfois, deux couches adjacentes – celle de carbone et celle d'oxygène – se mélangent. C'est un peu comme dans une casserole de soupe où les couches de bouillon et de légumes se mélangent quand on remue avec une cuillère.

Lorsqu'une étoile massive épuise son carburant, son noyau s'effondre et une onde de choc se propage vers l'extérieur. Mais avant même que l'étoile ne se déchire, des particules qui interagissent à peine avec la matière ordinaire peuvent naître dans ses entrailles. Si elles se désintègrent en lumière, l'énergie se dissipe dans le gaz dense qui entoure l'étoile.

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.