La plupart des réactions nucléaires qui entraînent la nucléosynthèse des éléments de notre univers se produisent dans des conditions de plasma stellaire très extrêmes. Cet environnement intense trouvé dans les intérieurs profonds des étoiles a rendu presque impossible pour les scientifiques d'effectuer des mesures nucléaires dans ces conditions - jusqu'à présent.

Dans une collaboration interdisciplinaire unique entre les domaines de la physique des plasmas, astrophysique nucléaire et fusion laser, une équipe de chercheurs comprenant des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Université de l'Ohio, le Massachusetts Institute of Technology (MIT) et le Los Alamos National Laboratory (LANL), décrire des expériences réalisées dans des conditions telles que celles des intérieurs stellaires. Les conclusions de l'équipe ont été publiées aujourd'hui par Physique de la nature .

Les expériences sont les premières mesures thermonucléaires des sections efficaces de réaction nucléaire - une quantité qui décrit la probabilité que les réactifs subissent une réaction de fusion - dans des conditions de plasma à haute densité d'énergie qui sont équivalentes aux noyaux brûlants d'étoiles géantes, c'est-à-dire 10 à 40 fois plus massive que le soleil. Ces conditions de plasma extrêmes présentent des densités d'isotopes d'hydrogène comprimées par un facteur de mille à près de celle du plomb solide et des températures chauffées à environ 50 millions de Kelvin. Ce sont aussi les conditions dans les étoiles qui conduisent aux supernovae, les explosions les plus massives de l'univers.

"Ordinairement, ces types d'expériences d'astrophysique nucléaire sont effectuées sur des expériences d'accélérateur en laboratoire, qui deviennent particulièrement difficiles aux basses énergies souvent pertinentes pour la nucléosynthèse, " a déclaré Dan Casey, physicien du LLNL, l'auteur principal de l'article. "Comme les sections efficaces de réaction chutent rapidement avec la diminution de l'énergie des réactifs, les corrections de filtrage des électrons liés deviennent importantes, et les sources de fond terrestres et cosmiques deviennent un défi expérimental majeur."

Les travaux ont été menés au National Ignition Facility (NIF) de LLNL, le seul outil expérimental au monde capable de créer des températures et des pressions comme celles trouvées dans les noyaux des étoiles et des planètes géantes. En utilisant l'approche d'entraînement indirect, NIF a été utilisé pour conduire une implosion de capsule remplie de gaz, chauffer les capsules à des températures extraordinaires et les comprimer à des densités élevées où des réactions de fusion peuvent se produire.

"L'une des découvertes les plus importantes est que nous avons reproduit des mesures antérieures effectuées sur des accélérateurs dans des conditions radicalement différentes, " Casey a déclaré. "Cela établit vraiment un nouvel outil dans le domaine de l'astrophysique nucléaire pour étudier divers processus et réactions qui peuvent être difficiles d'accès d'une autre manière."

"Peut-être le plus important, ce travail jette les bases de tests expérimentaux potentiels de phénomènes qui ne peuvent être trouvés que dans les conditions extrêmes de plasma des intérieurs stellaires. Un exemple est le criblage d'électrons par plasma, un processus qui est important dans la nucléosynthèse mais n'a pas été observé expérimentalement, " ajouta Casey.

Maintenant que l'équipe a établi une technique pour effectuer ces mesures, des équipes connexes comme celle dirigée par Maria Gatu Johnson au MIT cherchent à explorer d'autres réactions nucléaires et des moyens de tenter de mesurer l'impact des électrons du plasma sur les réactions nucléaires.