Il y a près de 70 ans, l'astronome Paul Merrill observait le ciel à travers un télescope à l'observatoire du mont Wilson à Pasadena, Californie. Alors qu'il observait la lumière provenant d'une étoile lointaine, il a vu des signatures de l'élément technétium.

C'était complètement inattendu. Le technétium n'a pas de formes stables - c'est ce que les physiciens appellent un élément "artificiel". Comme Merrill lui-même l'a dit avec un peu d'euphémisme, "Il est surprenant de trouver un élément instable dans les étoiles."

Tout technétium présent lors de la formation de l'étoile aurait dû se transformer en un élément différent, comme le ruthénium ou le molybdène, belle lurette. En tant qu'élément artificiel, quelqu'un doit avoir récemment créé le technétium repéré par Merrill. Mais qui ou qu'est-ce qui a pu faire ça dans cette étoile ?

Le 2 mai, 1952, Merrill a rapporté sa découverte dans la revue Science. Parmi les trois interprétations proposées par Merrill se trouvait la réponse :les étoiles créent des éléments lourds ! Merrill n'avait pas seulement expliqué une observation déroutante, il avait aussi ouvert la porte pour comprendre nos origines cosmiques. Peu de découvertes scientifiques changent complètement notre vision du monde, mais celle-ci l'a fait. L'image nouvellement révélée de l'univers était tout simplement époustouflante, et les répercussions de cette découverte sont encore aujourd'hui le moteur de la recherche en science nucléaire.

D'où viennent les éléments ?

Au début des années 1950, on ne savait toujours pas comment les éléments qui composent notre univers, notre système solaire, même nos corps humains, ont été créés. Initialement, le scénario le plus populaire était qu'ils ont tous été fabriqués dans le Big Bang.

Les premiers scénarios alternatifs ont été développés par des scientifiques renommés de l'époque, comme Hans Bethe (prix Nobel de physique, 1967), Carl Friedrich von Weizsäcker (Médaille Max-Plank, 1957), et Fred Hoyle (Médaille royale, 1974). Mais personne n'avait vraiment proposé une théorie convaincante pour l'origine des éléments – jusqu'à l'observation de Paul Merrill.

La découverte de Merrill a marqué la naissance d'un tout nouveau domaine :la nucléosynthèse stellaire. C'est l'étude de la façon dont les éléments, ou plus exactement leurs noyaux atomiques, sont synthétisés dans les étoiles. Il n'a pas fallu longtemps aux scientifiques pour commencer à essayer de comprendre exactement ce qu'impliquait le processus de synthèse des éléments dans les étoiles. C'est là que la physique nucléaire devait entrer en jeu, pour aider à expliquer l'observation étonnante de Merrill.

Fusion de noyaux au coeur d'une étoile

Brique par brique, élément par élément, les processus nucléaires dans les étoiles prennent les atomes d'hydrogène abondants et construisent des éléments plus lourds, de l'hélium et du carbone jusqu'au technétium et au-delà.

Quatre éminents (astro)physiciens nucléaires de l'époque ont travaillé ensemble, et en 1957 a publié la "Synthèse des éléments dans les étoiles":Margaret Burbidge (Albert Einstein World Award of Science, 1988), Geoffrey Burbidge (Médaille Bruce, 1999), William Fowler (prix Nobel de physique, 1983), et Fred Hoyle (Médaille royale, 1974). La publication, connu sous le nom de B2FH, reste encore une référence pour décrire les processus astrophysiques dans les étoiles. Al Cameron (Prix Hans Bethe, 2006) la même année est arrivé indépendamment à la même théorie dans son article "Nuclear Reactions in Stars and Nucleogenesis".

Voici l'histoire qu'ils ont concoctée.

Les étoiles sont lourdes. On pourrait penser qu'ils s'effondreraient complètement sur eux-mêmes à cause de leur propre gravité – mais ce n'est pas le cas. Ce qui empêche cet effondrement, ce sont les réactions de fusion nucléaire qui se produisent au centre de l'étoile.

Dans une étoile se trouvent des milliards et des milliards d'atomes. Ils zooment tout autour, parfois en collision les uns avec les autres. Au départ l'étoile est trop froide, et lorsque les noyaux des atomes entrent en collision, ils rebondissent simplement les uns sur les autres. Comme l'étoile se comprime à cause de sa gravité, bien que, la température en son centre augmente. Dans des conditions aussi chaudes, maintenant, lorsque les noyaux se heurtent, ils ont suffisamment d'énergie pour fusionner. C'est ce que les physiciens appellent une réaction de fusion nucléaire.

Ces réactions nucléaires ont deux objectifs.

D'abord, ils libèrent de l'énergie qui chauffe l'étoile, fournissant la pression extérieure qui empêche son effondrement gravitationnel et maintient l'étoile en équilibre pendant des milliards d'années. Seconde, ils fusionnent des éléments légers en éléments plus lourds. Et lentement, à commencer par l'hydrogène et l'hélium, les étoiles fabriqueront le technétium que Merrill a observé, le calcium dans nos os et l'or dans nos bijoux.

De nombreuses réactions nucléaires différentes sont responsables de tout cela. Et ils sont extrêmement difficiles à étudier en laboratoire car les noyaux sont difficiles à fusionner. C'est pourquoi, depuis plus de six décennies, les physiciens nucléaires ont continué à travailler pour maîtriser les réactions nucléaires qui entraînent les étoiles.

Les astrophysiciens démêlent toujours les origines des éléments

Aujourd'hui, il existe de nombreuses autres façons d'observer les signatures de la création d'éléments à travers l'univers.

De très vieilles étoiles enregistrent la composition de l'univers à l'époque de leur formation. Au fur et à mesure que l'on trouve de plus en plus d'étoiles d'âges différents, leurs compositions commencent à raconter l'histoire de la synthèse des éléments dans notre galaxie, depuis sa formation peu après le Big Bang jusqu'à aujourd'hui.

Et plus les chercheurs apprennent, plus l'image devient complexe. Au cours de la dernière décennie, les observations ont fourni des preuves d'un éventail beaucoup plus large de processus de création d'éléments que prévu. Pour certains de ces processus, nous ne savons même pas encore dans quel genre d'étoiles ou d'explosions stellaires elles se produisent. Mais les astrophysiciens pensent que tous ces événements stellaires ont contribué à leur mélange caractéristique d'éléments dans le nuage de poussière tourbillonnant qui est finalement devenu notre système solaire.

L'exemple le plus récent provient d'un événement de fusion d'étoiles à neutrons suivi par des observatoires gravitationnels et électromagnétiques du monde entier. Cette observation démontre que même la fusion d'étoiles à neutrons contribue largement à la production d'éléments lourds dans l'univers - dans ce cas les lanthanides qui incluent des éléments tels que le terbium, Néodyme et Dysprosium utilisés dans les téléphones portables. Et tout comme au moment de la découverte de Merrill, les scientifiques nucléaires du monde entier se bousculent, faire des heures supplémentaires dans leurs accélérateurs, pour comprendre quelles réactions nucléaires pourraient éventuellement expliquer toutes ces nouvelles observations.

Les découvertes qui changent notre vision du monde ne se produisent pas tous les jours. Mais quand ils le font, ils peuvent fournir plus de questions que de réponses. Il faut beaucoup de travail supplémentaire pour trouver toutes les pièces du nouveau puzzle scientifique, les assembler étape par étape et finalement arriver à une nouvelle compréhension. Les observations astronomiques avancées avec les télescopes modernes continuent de révéler de plus en plus de secrets cachés dans des étoiles lointaines. Des installations d'accélérateur de pointe étudient les réactions nucléaires qui créent des éléments dans les étoiles. Et des modèles informatiques sophistiqués mettent tout cela ensemble, essayant de recréer les parties de l'univers que nous voyons, tout en tendant la main vers ceux qui se cachent encore jusqu'à la prochaine découverte majeure.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.