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Des réactions stellaires sur Terre

21/11/2019

Le tableau périodique des éléments chimiques fête ses 150 ans cette année. Rencontre avec Sandrine Courtin, responsable du département de recherches subatomiques de l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC), qui s’intéresse plus particulièrement aux éléments chimiques légers à travers notamment ses travaux sur la genèse du carbone dans les étoiles.

Sandrine Courtin analyse les données des
réactions nucléaires. Photos VN

 « Nous reproduisons en laboratoire les réactions nucléaires qui ont lieu au sein des étoiles massives, au moins huit fois plus massives que notre soleil », explique Sandrine Courtin, professeur à l’IPHC dans l’équipe Du noyau aux étoiles. « Cela permet de comprendre l’histoire de la formation de la matière», poursuit la chercheuse.

« Nous étudions en ce moment la réaction de fusion entre deux noyaux de carbone aux énergies stellaires, c’est-à-dire à de basses énergies ». Celle-ci permet de produire le magnésium à un état excité, qui peut se désexciter en perdant un proton et ainsi former un noyau de sodium ou bien en émettant une particule alpha, formant ainsi du néon. Des éléments chimiques légers que l’on retrouve dans le tableau périodique, utile aux chimistes, et également sur Terre !

Des réactions au cœur d’un dôme en aluminium

« La probabilité que ces réactions se produisent est infime à cause des énergies faibles, mais la mécanique quantique nous montre que c’est faisable », souligne Sandrine Courtin. « Avant, il était quasi impossible de réaliser ces réactions en laboratoire aux énergies les plus faibles, les détecteurs n’étaient pas assez performants pour distinguer les produits recherchés de la réaction des autres composés formés. »

Ces expériences sont aujourd’hui possibles notamment grâce à la station de mesure Stella, installée en 2016 à Orsay, à l’Université de Paris-Sud. Stella comporte un dôme en aluminium d’environ 20 centimètres de diamètre qui contient des détecteurs de particules chargées et est entouré de détecteurs qui mesurent les émissions gamma des noyaux produits, permettant aux chercheurs d'analyser les réactions qui s'y passent. La station de mesure est installée auprès d’un accélérateur électrostatique, nommé Andromède. « Il existe d’autres accélérateurs dans le monde, que nous utilisons pour réaliser nos expériences, comme au Japon, en Italie ou aux Etats-Unis, ce qui me donne l’occasion de beaucoup voyager dans le cadre de mon travail. »

Une reproduction de la station de mesure
Stella, réalisée grâce à une imprimante 3D.

Etudier l’impact des réactions sur les étoiles

Une fois les données des réactions recueillies, avec des temps d’acquisition d’un mois environ, il faut de trois à six mois pour les analyser. De nombreuses collaborations internationales, avec entre autres des chercheurs de l’Université de York en Grande Bretagne ou l’Université Nationale d’Australie à Canberra leur permettent de travailler sur la formation des éléments chimiques, où chacun amène son expertise technique ou théorique.

Sandrine Courtin et son équipe ont déjà étudié plusieurs dizaines de réactions impliquant différents éléments chimiques du tableau périodique. A plus long terme, la chercheuse souhaite comprendre l’impact des réactions qui ont lieu à des échelles microscopiques, sur le temps de vie des étoiles, leur évolution. « D’ordinaire, on étudie soit l’infiniment petit, soit l’infiniment grand, pas les deux. Mais ces deux échelles sont reliées, ce qui arrive aux étoiles n’est pas le fruit du hasard, c’est déterministe ».

Vanessa Narbonne

1Particule alpha : correspond à un noyau d’hélium, émis lorsqu’un noyau cherche à se stabiliser.

2Les émissions gamma désignent l’émission d’un photon, particule lumineuse qui permet au noyau de se désexciter.