thorium

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.

Le balancier de ces horloges n'est pas actionné par un ressort ou un poids, mais par une minuscule impulsion à l'intérieur du noyau atomique. Les horloges atomiques ordinaires mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons, mais ici, le balancier est le noyau lui-même — une boule dense de protons et de neutrons.

Un électron en trop dans une molécule, c'est un peu comme un passager qui s'accroche de justesse à la porte d'un train en marche. Ce « passager » transforme la particule en anion — un ion négatif. L'étudier n'est pas simple : la liaison est faible, le nuage électronique est diffus, et le moindre choc peut arracher l'électron.

La rivière se divise en deux bras. L'un est large et rapide, l'eau y coule en douceur, mais avec l'augmentation de la température, le courant ralentit : des tourbillons et des vagues apparaissent. Le second bras est étroit, avec des rapides, où l'eau saute de pierre en pierre. Ce flux, au contraire, devient plus vif avec la chaleur.

Les horloges les plus précises actuelles mesurent le temps grâce aux oscillations des électrons dans les atomes. Mais leur marche peut être déréglée, comme un ressort de montre mécanique peut l'être par des secousses. Les physiciens ont trouvé un balancier plus fiable : le noyau atomique.

Un faisceau laser aussi ténu qu'un murmure de lumière a fait passer un noyau de thorium-229 dans un état d'énergie supérieur. La plupart des noyaux exigent une décharge d'énergie, mais le thorium-229 possède un intervalle d'énergie si minuscule que même cette caresse douce fonctionne.

Sous nos pieds, dans l'épaisseur de la planète, se déroule une lente désintégration d'éléments radioactifs. Elle engendre de minuscules particules : les géoneutrinos. Elles traversent la croûte terrestre, le manteau et le noyau sans presque interagir avec la matière.

Le noyau atomique suit généralement ses propres lois : sa désintégration ne dépend ni de la température, ni de la pression, ni des voisins dans la molécule. Mais l'isotope uranium-235m fait exception. Ce noyau est dans un état excité, comme un ressort tendu, et il finit par libérer son excès d'énergie.

En 2017, une pierre est tombée du ciel dans le village indien de Mukhundpura. C'était une rare météorite carbonée – un fragment de matière cosmique ancienne qui conserve les traces de la naissance du système solaire. Les habitants ont rapidement ramassé les morceaux, qui ont été envoyés en laboratoire.

Une multitude d'atomes peuvent agir comme un orchestre bien réglé : si chacun émet de la lumière à l'unisson avec les autres, l'éclat est multiplié. C'est la superradiance — un phénomène bien étudié en laboratoire, mais presque jamais recherché dans l'espace.

Un matériau magnétique peut être comparé à une foule de minuscules boussoles. Dans un aimant ordinaire, toutes les aiguilles pointent dans la même direction, et les faire tourner toutes d'un coup n'est pas simple. Les physiciens ont trouvé un moyen de le faire à l'aide d'un courant électrique.

Un morceau de chrome exposé à l'air se couvre en une minute d'une armure invisible : un film d'oxyde. Ce film protège le métal de la rouille, mais pour une batterie, c'est une catastrophe : le film ne laisse pas passer les ions de chrome, et le courant ne circule pas. Les scientifiques ont mélangé cinq métaux — chrome, bismuth, cuivre, étain et nickel.

Les minuscules aiguilles magnétiques à l'intérieur d'un cristal d'oxyde de terbium et d'iridium se comportent étrangement : au lieu de s'aligner le long de leur axe préféré, elles se placent perpendiculairement. Cet état se forme complètement lors du refroidissement à 1,5 kelvin — une température plus froide que celle de l'espace interstellaire.

Deuxième visiteur interstellaire, la comète 3I/ATLAS brille d'une manière inhabituelle à cause de grains de métal rouillés dans son noyau glacé. En s'approchant du Soleil, elle se comporte comme une vieille boîte de conserve jetée dans un feu de camp : la chaleur fait fondre la glace, l'eau s'infiltre dans le métal, et une corrosion intense s'ensuit.

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.

Dans le flux de particules chargées qui nous parviennent des profondeurs de la Galaxie, le fer s'est révélé être le mouton noir. L'instrument ATIC-2, hissé à bord d'un ballon au-dessus de l'Antarctique, a comparé comment la proportion de noyaux allant du soufre au chrome varie avec l'énergie par rapport au fer.