Comment les stars font tous les éléments

La nucléosynthèse stellaire est le processus par lequel des éléments sont créés dans les étoiles en combinant les protons et les neutrons des noyaux d’éléments plus légers. Tous les atomes de l’univers ont commencé sous forme d’hydrogène. La fusion à l’intérieur des étoiles transforme l’hydrogène en hélium, en chaleur et en rayonnement. Les éléments plus lourds sont créés dans différents types d’étoiles lorsqu’ils meurent ou explosent.

Histoire de la théorie

L’idée que les étoiles fusionnent les atomes des éléments légers a été proposée pour la première fois dans les années 1920, par Arthur Eddington, un fervent partisan d’Einstein. Cependant, le véritable mérite de son développement en une théorie cohérente est attribué aux travaux de Fred Hoyle au lendemain de la Seconde Guerre mondiale. La théorie de Hoyle présentait des différences importantes par rapport à la théorie actuelle, notamment le fait qu’il ne croyait pas à la théorie du big bang mais plutôt à la création continue d’hydrogène dans notre univers. (Cette théorie alternative était appelée théorie de l’état stable et est tombée en désuétude lorsque le rayonnement de fond des micro-ondes cosmiques a été détecté).

Le type d’atome le plus simple de l’univers est un atome d’hydrogène, qui contient un seul proton dans le noyau (avec éventuellement quelques neutrons qui pendent aussi), avec des électrons qui encerclent ce noyau. On pense aujourd’hui que ces protons se sont formés lorsque le plasma quark-gluon à énergie incroyablement élevée du tout premier univers a perdu suffisamment d’énergie pour que les quarks commencent à se lier pour former des protons (et d’autres hadrons, comme les neutrons). L’hydrogène s’est formé presque instantanément et même l’hélium (dont les noyaux contiennent 2 protons) s’est formé en relativement peu de temps (dans le cadre d’un processus appelé nucléosynthèse du Big Bang).

Lorsque cet hydrogène et cet hélium ont commencé à se former dans l’univers primitif, il y avait des zones où il était plus dense que d’autres. La gravité a pris le dessus et finalement ces atomes ont été rassemblés en nuages massifs de gaz dans l’immensité de l’espace. Une fois que ces nuages sont devenus assez grands, ils ont été attirés par la gravité avec suffisamment de force pour provoquer la fusion des noyaux atomiques, dans un processus appelé fusion nucléaire. Le résultat de ce processus de fusion est que les deux atomes d’un proton ont maintenant formé un seul atome de deux protons. En d’autres termes, deux atomes d’hydrogène ont formé un seul atome d’hélium. L’énergie libérée au cours de ce processus est ce qui provoque la combustion du soleil (ou de toute autre étoile, d’ailleurs).

Il faut près de 10 millions d’années pour brûler l’hydrogène, puis les choses se réchauffent et l’hélium commence à fondre. La nucléosynthèse stellaire continue à créer des éléments de plus en plus lourds jusqu’à ce que vous finissiez avec du fer.

Créer les éléments les plus lourds

La combustion de l’hélium pour produire des éléments plus lourds se poursuit alors pendant environ 1 million d’années. En grande partie, il est fusionné en carbone par le processus triple-alpha dans lequel trois noyaux d’hélium-4 (particules alpha) sont transformés. Le processus alpha combine alors l’hélium et le carbone pour produire des éléments plus lourds, mais seulement ceux qui ont un nombre pair de protons. Les combinaisons se font dans cet ordre :

1. Le carbone et l’hélium produisent de l’oxygène.
2. L’oxygène et l’hélium produisent du néon.
3. Le néon et l’hélium produisent du magnésium.
4. Le magnésium et l’hélium produisent du silicium.
5. Le silicium et l’hélium produisent du soufre.
6. Le soufre et l’hélium produisent de l’argon.
7. L’argon et l’hélium produisent du calcium.
8. Le calcium et l’hélium produisent du titane.
9. Le titane et l’hélium produisent du chrome.
10. Le chrome et l’hélium produisent du fer.

D’autres voies de fusion créent les éléments avec un nombre impair de protons. Le fer a un noyau si étroitement lié qu’il n’y a plus de fusion une fois que ce point est atteint. Sans la chaleur de la fusion, l’étoile s’effondre et explose en une onde de choc.

Le physicien Lawrence Krauss note qu’il faut 100 000 ans pour que le carbone se transforme en oxygène, 10 000 ans pour que l’oxygène se transforme en silicium, et un jour pour que le silicium se transforme en fer et annonce l’effondrement de l’étoile.

L’astronome Carl Sagan, dans la série télévisée « Cosmos », a noté : « Nous sommes faits de matière stellaire ». Krauss était d’accord, déclarant que « chaque atome de votre corps était autrefois à l’intérieur d’une étoile qui a explosé… Les atomes de votre main gauche provenaient probablement d’une étoile différente de celle de votre main droite, car 200 millions d’étoiles ont explosé pour constituer les atomes de votre corps ».