Une nouvelle mesure de la rapidité avec laquelle les étoiles créent du carbone peut déclencher un changement majeur dans notre compréhension de la façon dont les étoiles évoluent et meurent, comment les éléments sont créés, et même l'origine et l'abondance des éléments constitutifs de la vie.

Des physiciens de l'Université nationale australienne et de l'Université d'Oslo ont reproduit comment les étoiles fabriquent du carbone grâce à un partenariat éphémère d'atomes d'hélium connu sous le nom d'état de Hoyle dans deux mesures distinctes. Ils ont découvert que le carbone, la pierre angulaire de la vie, est produit 34 % plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant.

"C'est un résultat vraiment surprenant, avec des implications profondes à travers l'astrophysique, " a déclaré le professeur agrégé Tibor Kibédi, l'un des principaux chercheurs du Département de physique nucléaire de l'ANU.

L'expérience d'Oslo a été rapportée en Lettres d'examen physique , et les conclusions de l'ANU ont été publiées dans Examen physique C .

Les étoiles produisent du carbone par le processus triple-alpha, où trois particules alpha (noyaux d'hélium) entrent en collision et fusionnent en une infime fraction de seconde. Ce processus est si improbable que pendant de nombreuses années, les astrophysiciens ont été incapables d'expliquer comment du carbone et des éléments plus lourds pouvaient être créés dans l'univers.

En 1953, le célèbre astronome Sir Fred Hoyle a suggéré une solution à l'énigme :un état excité du carbone jusqu'alors inconnu, très proche de l'énergie du processus triple alpha. Cet état excité, maintenant connu sous le nom d'État de Hoyle, et agirait comme un tremplin vers la production de carbone stable.

Cela ouvre la voie à d'autres réactions de fusion, permettant aux étoiles de fabriquer les éléments les plus lourds de l'oxygène au fer et au-delà.

Le carbone et les autres éléments formés à l'intérieur des étoiles finissent par devenir la poussière et le gaz à partir desquels les planètes se forment. Ici sur Terre, la chimie du carbone est la base de la vie.

"C'est l'un des miracles du monde matériel, " dit Kibédi. " En termes simples, si l'état de Hoyle n'existait pas, nous non plus !"

Même avec l'aide de l'État de Hoyle, la formation de carbone stable est encore très improbable.

"Pour chaque 2500 noyaux d'état de Hoyle produits, " a expliqué Kibédi, "une seule transition vers du carbone stable. Le reste s'effondre."

Mesurer directement le taux de production de carbone est très difficile. Au lieu, les physiciens le calculent indirectement à partir des observations de deux transitions d'état de Hoyle différentes.

Pour mesurer la première transition, Kibédi et son équipe de l'installation d'accélérateur d'ions lourds (HIAF) de l'ANU ont tiré un faisceau de protons sur une feuille de carbone extrêmement mince pour former des noyaux d'état de Hoyle. Une infime fraction des noyaux excités redevient du carbone stable en émettant une paire électron-positon, que l'équipe a détecté avec le spectromètre de paire SUPER-E de la HIAF.

À la fois, Kibédi et son équipe ont travaillé avec des chercheurs du Laboratoire du Cyclotron de l'Université d'Oslo pour mesurer la seconde transition, dans lequel l'état de Hoyle émet un photon. Ils ont observé six milliards de réactions d'état de Hoyle, dont seulement 200 se sont désintégrés via la désintégration des photons.

En combinant les résultats de l'ANU et d'Oslo, l'équipe a calculé le taux de production de carbone, sa première mise à jour majeure en 40 ans. Ils ont découvert qu'il était plus d'un tiers plus grand qu'on ne le pensait auparavant, un changement énorme pour une quantité astrophysique si critique.

"C'était vraiment inattendu, ", a déclaré Kibédi. "Personne n'avait regardé cette mesure particulière depuis 1976. Tout le monde pensait qu'elle était bien connue."

Selon le Dr Meridith Joyce de l'École de recherche en astronomie et astrophysique de l'ANU, un changement aussi important serait un événement majeur pour les astrophysiciens stellaires.

"Une augmentation du taux de production de carbone comme celle-ci aurait un impact important sur beaucoup de nos modèles, " dit Joyce.

"Cela affecterait notre compréhension de la façon dont les étoiles changent au fil du temps, comment ils produisent des éléments plus lourds que le carbone, comment nous mesurons l'âge des étoiles et combien de temps elles dureront, combien de fois nous nous attendons à voir des explosions de supernova, même s'ils laissent derrière eux des étoiles à neutrons ou des trous noirs."

Avec autant de phénomènes astronomiques reposant sur la mesure, un ajustement aussi important à la valeur précédemment acceptée attirera beaucoup d'examens. Kibédi est optimiste que plus d'expériences cimenteront leurs résultats, y compris d'autres travaux à la HIAF.

"Il est important que plus d'expériences soient faites pour régler cela, " dit-il. " L'expérience d'Oslo est en train d'être répétée, et l'analyse préliminaire semble corroborer nos conclusions."

"Notre plan initial ici à l'ANU était d'observer pour la première fois les désintégrations des deux transitions d'état de Hoyle dans une seule expérience. J'espère toujours que nous pourrons le faire."