Comment les scientifiques recréent les explosions d'étoiles sur Terre

Forger des éléments en laboratoire

Chaque atome de calcium dans vos os, chaque trace de sélénium dans votre alimentation, a été forgé à l'intérieur d'une étoile ou lors de sa mort violente. Pendant des décennies, les scientifiques ont compris les grandes lignes de la nucléosynthèse stellaire – le processus par lequel les étoiles construisent des éléments plus lourds à partir d'éléments plus légers. Mais un mystère persistant subsistait : environ 35 isotopes rares, riches en protons, appelés p-noyaux, ne pouvaient pas être expliqués par les processus standards. Pour résoudre cette énigme, les physiciens ont dû recréer les conditions des étoiles en explosion – non pas dans l'espace, mais dans un laboratoire du Michigan.

La machine : FRIB

Le Facility for Rare Isotope Beams (FRIB), exploité par l'Université d'État du Michigan pour le compte du département de l'Énergie des États-Unis, est l'accélérateur d'isotopes rares le plus puissant au monde. Son accélérateur linéaire supraconducteur – une chaîne de près de 50 000 composants supraconducteurs refroidis à une température proche du zéro absolu – accélère les ions de n'importe quel élément, de l'hydrogène à l'uranium, à plus de la moitié de la vitesse de la lumière.

Le faisceau accéléré percute ensuite une cible. La collision brise les noyaux lourds en isotopes exotiques de courte durée qui n'existent normalement pas sur Terre. Des aimants géants trient les débris, sélectionnant les isotopes que les scientifiques souhaitent et les dirigeant vers des halls expérimentaux pour les étudier. En substance, le FRIB recrée sur une table ce que les supernovae accomplissent en quelques secondes à travers des années-lumière d'espace.

Pourquoi c'est important : les éléments manquants

La plupart des éléments lourds sont construits par le biais de deux voies bien comprises. Le processus s (capture lente de neutrons) opère à l'intérieur des étoiles géantes vieillissantes, construisant des éléments étape par étape sur des milliers d'années. Le processus r (capture rapide de neutrons) se produit lors d'événements cataclysmiques comme les fusions d'étoiles à neutrons, produisant des éléments en quelques secondes. Ensemble, ils représentent la grande majorité des isotopes plus lourds que le fer.

Mais environ 35 isotopes naturels – les p-noyaux – sont riches en protons, ce qui signifie qu'ils contiennent plus de protons que le processus s ou r ne peuvent en produire. Ces isotopes, allant du sélénium-74 au mercure-196, sont extrêmement rares, généralement 10 à 1 000 fois moins abondants que leurs voisins dans le tableau périodique. La théorie dominante, appelée processus gamma, soutient qu'ils se forment lorsque le rayonnement gamma intense à l'intérieur des supernovae arrache des neutrons aux noyaux plus lourds. Mais jusqu'à récemment, les réactions clés de cette chaîne n'avaient jamais été mesurées directement.

Une mesure inédite

Dans une expérience marquante, une équipe dirigée par la physicienne Artemis Tsantiri a utilisé le FRIB pour produire un faisceau d'arsenic-73 – un isotope radioactif qui se désintègre en seulement 80 jours. En projetant ce faisceau sur une cible d'hydrogène, ils ont directement mesuré la vitesse à laquelle l'arsenic-73 capture un proton pour devenir du sélénium-74, le p-noyau le plus léger connu. C'était la première fois que cette réaction était observée en utilisant un faisceau d'isotopes rares.

Les résultats ont réduit de moitié l'incertitude dans les modèles de production de sélénium-74, fournissant les contraintes les plus strictes à ce jour sur la façon dont cet élément se forme et est détruit à l'intérieur des supernovae. La mesure a confirmé que le processus gamma peut expliquer l'abondance cosmique du sélénium-74 – une pièce essentielle d'un puzzle vieux de plusieurs décennies.

Au-delà de l'astrophysique

La portée du FRIB s'étend bien au-delà des étoiles. Les isotopes exotiques qu'il produit servent d'outils en médecine nucléaire, où de nouveaux radio-isotopes pourraient permettre des diagnostics et des thérapies anticancéreuses plus ciblés. L'installation contribue également aux applications de sécurité intérieure et à la recherche en physique fondamentale, testant les symétries de la nature qui pourraient révéler une physique au-delà du modèle standard.

Avec l'accélérateur produisant désormais couramment des faisceaux d'uranium à 20 kilowatts de puissance – le double de son précédent record – le FRIB est sur le point de découvrir des centaines de nouveaux isotopes dans les années à venir. Chacun est un point de données qui aide les scientifiques à cartographier les limites de l'existence nucléaire et à comprendre les violentes forges cosmiques qui ont construit le tableau périodique.

La vue d'ensemble

Comprendre d'où viennent les éléments est plus qu'un exercice académique. Le calcium dans les os, l'iode dans les glandes thyroïdes, le sélénium dans les enzymes – tous ont été synthétisés lors de processus stellaires il y a des milliards d'années. Des installations comme le FRIB permettent aux scientifiques de reconstituer ces processus, en testant les modèles astrophysiques avec une précision de laboratoire. Un faisceau de noyaux exotiques à la fois, ils complètent l'histoire de l'origine de la matière elle-même.