Presque tout l'oxygène de notre univers est forgé dans le ventre d'étoiles massives comme notre soleil. Alors que ces étoiles se contractent et brûlent, ils déclenchent des réactions thermonucléaires au sein de leurs noyaux, où les noyaux de carbone et d'hélium peuvent entrer en collision et fusionner dans une réaction nucléaire rare mais essentielle qui génère une grande partie de l'oxygène dans l'univers.

Le taux de cette réaction génératrice d'oxygène a été incroyablement difficile à cerner. Mais si les chercheurs peuvent obtenir une estimation suffisamment précise de ce qu'on appelle le "taux de réaction de capture radiative, " ils peuvent commencer à élaborer les réponses aux questions fondamentales, comme le rapport carbone/oxygène dans l'univers. Un taux précis pourrait également les aider à déterminer si une étoile en explosion prendra la forme d'un trou noir ou d'une étoile à neutrons.

Aujourd'hui, les physiciens du Laboratoire de science nucléaire (LNS) du MIT ont mis au point une conception expérimentale qui pourrait aider à déterminer la vitesse de cette réaction génératrice d'oxygène. L'approche nécessite un type d'accélérateur de particules encore en construction, dans plusieurs endroits à travers le monde. Une fois opérationnel, de tels accélérateurs linéaires "multigawatts" peuvent fournir les bonnes conditions pour exécuter la réaction de génération d'oxygène en sens inverse, comme si on remontait l'horloge de la formation des étoiles.

Les chercheurs disent qu'une telle "réaction inverse" devrait leur donner une estimation de la vitesse de réaction qui se produit réellement dans les étoiles, avec une précision plus élevée qu'auparavant.

"La description du poste d'un physicien est de comprendre le monde, et maintenant, nous ne comprenons pas très bien d'où vient l'oxygène de l'univers, et, comment l'oxygène et le carbone sont fabriqués, " dit Richard Milner, professeur de physique au MIT. « Si nous avons raison, cette mesure nous aidera à répondre à certaines de ces questions importantes en physique nucléaire concernant l'origine des éléments."

Milner est co-auteur d'un article paru aujourd'hui dans la revue Physical Review C, avec l'auteur principal et postdoctorant du MIT-LNS Ivica Friščić et le chercheur scientifique principal du MIT Center for Theoretical Physics T. William Donnelly.

Une chute vertigineuse

La vitesse de réaction de capture radiative fait référence à la réaction entre un noyau de carbone 12 et un noyau d'hélium, également connue sous le nom de particule alpha, qui se déroule dans une étoile. Lorsque ces deux noyaux entrent en collision, le noyau de carbone "capture" effectivement la particule alpha, et dans le processus, est excité et rayonne de l'énergie sous la forme d'un photon. Ce qui reste, c'est un noyau d'oxygène-16, qui se désintègre finalement en une forme stable d'oxygène qui existe dans notre atmosphère.

Mais les chances que cette réaction se produise naturellement dans une étoile sont incroyablement minces, en raison du fait qu'une particule alpha et un noyau de carbone 12 sont hautement chargés positivement. S'ils entrent en contact étroit, ils sont naturellement enclins à repousser, dans ce qu'on appelle la force de Coulomb. Fusionner pour former de l'oxygène, la paire devrait entrer en collision à des énergies suffisamment élevées pour vaincre la force de Coulomb - un événement rare. Une telle vitesse de réaction extrêmement faible serait impossible à détecter aux niveaux d'énergie qui existent dans les étoiles.

Au cours des cinq dernières décennies, les scientifiques ont tenté de simuler le taux de réaction de capture radiative, dans des accélérateurs de particules petits mais puissants. Ils le font en faisant entrer en collision des faisceaux d'hélium et de carbone dans l'espoir de fusionner les noyaux des deux faisceaux pour produire de l'oxygène. Ils ont pu mesurer de telles réactions et calculer les vitesses de réaction associées. Cependant, les énergies auxquelles de tels accélérateurs entrent en collision avec des particules sont bien plus élevées que ce qui se passe dans une étoile, à tel point que les estimations actuelles de la vitesse de réaction génératrice d'oxygène sont difficiles à extrapoler à ce qui se passe réellement dans les étoiles.

"Cette réaction est assez connue aux énergies plus élevées, mais il tombe précipitamment au fur et à mesure que vous descendez en énergie, vers la région astrophysique intéressante, " dit Friščić.

Temps, en marche arrière

Dans la nouvelle étude, l'équipe a décidé de ressusciter une notion antérieure, produire l'inverse de la réaction génératrice d'oxygène. L'objectif, essentiellement, est de partir de l'oxygène gazeux et de diviser son noyau en ses ingrédients de départ :une particule alpha et un noyau de carbone 12. L'équipe a estimé que la probabilité que la réaction se produise en sens inverse devrait être plus grande, et donc plus facilement mesurable, que la même réaction se déroule en avant. La réaction inverse devrait également être possible à des énergies plus proches de la gamme d'énergie dans les étoiles réelles.

Pour séparer l'oxygène, ils auraient besoin d'un faisceau à haute intensité, avec une très forte concentration d'électrons. (Plus il y a d'électrons qui bombardent un nuage d'atomes d'oxygène, plus il y a de chances qu'un électron parmi des milliards ait juste la bonne énergie et l'élan pour entrer en collision et diviser un noyau d'oxygène.)

L'idée est née d'une collègue scientifique du MIT, Genya Tsentalovich, qui a dirigé une expérience proposée à l'anneau de stockage d'électrons MIT-Bates South Hall en 2000. Bien que l'expérience n'ait jamais été réalisée à l'accélérateur Bates, qui a cessé ses activités en 2005, Donnelly et Milner ont estimé que l'idée méritait d'être étudiée en détail. Avec le lancement de la construction d'accélérateurs linéaires de nouvelle génération en Allemagne et à l'Université Cornell, ayant la capacité de produire des faisceaux d'électrons d'une intensité suffisamment élevée, ou courant, pour potentiellement déclencher la réaction inverse, et l'arrivée de Friščić au MIT en 2016, l'étude a commencé.

"La possibilité de ces nouveaux, machines à électrons à haute intensité, avec des dizaines de milliampères de courant, réveillé notre intérêt pour cette idée [de réaction inverse], " dit Milner.

L'équipe a proposé une expérience pour produire la réaction inverse en tirant un faisceau d'électrons à froid, nuage d'oxygène ultradense. Si un électron réussit à entrer en collision avec un atome d'oxygène et à le diviser, il doit se disperser avec une certaine quantité d'énergie, ce que les physiciens ont prédit précédemment. Les chercheurs isoleraient les collisions impliquant des électrons dans cette gamme d'énergie donnée, et à partir de ceux-ci, ils isoleraient les particules alpha produites dans la foulée.

Les particules alpha sont produites lorsque les atomes O-16 se séparent. La division d'autres isotopes de l'oxygène peut également entraîner des particules alpha, mais celles-ci se disperseraient légèrement plus rapidement - environ 10 nanosecondes plus rapidement - que les particules alpha produites par la division des atomes O-16. Donc, l'équipe a pensé qu'elle isolerait les particules alpha légèrement plus lentes, avec un "temps de vol" légèrement plus court.

Les chercheurs ont alors pu calculer la vitesse de la réaction inverse, étant donné la fréquence à laquelle les particules alpha plus lentes - et par procuration, la scission des atomes O-16 - s'est produite. Ils ont ensuite développé un modèle pour relier la réaction inverse à la réaction directe, réaction directe de la production d'oxygène qui se produit naturellement dans les étoiles.

"Nous faisons essentiellement la réaction inverse dans le temps, " dit Milner. " Si vous mesurez cela à la précision dont nous parlons, vous devriez pouvoir extraire directement la vitesse de réaction, par des facteurs allant jusqu'à 20 au-delà de ce que n'importe qui a fait dans cette région."

Actuellement, un accélérateur linéaire multimégawatt, MESA, est en construction en Allemagne. Friščić et Milner collaborent avec des physiciens pour concevoir l'expérience, dans l'espoir que, une fois opérationnel, ils peuvent mettre leur expérience en action pour vraiment déterminer la vitesse à laquelle les étoiles produisent de l'oxygène dans l'univers.

« Si nous avons raison, et nous faisons cette mesure, cela nous permettra de répondre à la quantité de carbone et d'oxygène qui se forme dans les étoiles, qui est la plus grande incertitude que nous ayons dans notre compréhension de l'évolution des étoiles, " dit Milner.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.