La combustion carbone dans les étoiles massives : nouvelles découvertes de l’équipe STELLA
L’équipe de l’expérience STELLA, qui comprend entre autres les anciens Fellows USIAS Sandrine Courtin et David Jenkins, a récemment publié dans Physical Review Letters des mesures indiquant que la fusion du carbone (réaction 12C + 12C) dans les étoiles massives pourrait être considérablement plus faible qu’attendu. En effet, les nouvelles mesures montrent un écart de près d’un ordre de grandeur avec les valeurs de référence utilisées par les astrophysiciens dans leurs modèles d’évolution des étoiles, une découverte qui pourrait avoir des implications importantes.
Essentielle au cycle de vie des étoiles massives, la fusion 12C + 12C est une réaction de fusion nucléaire qui se déroule au cœur de l’étoile, et qui conduit à des éléments plus lourds. Elle peut se produire à différentes étapes de l’évolution stellaire, et a un impact sur les étapes finales du cycle de vie de l’étoile en les rendant plus ou moins calmes ou explosives. Par conséquent, afin de calculer des scénarios fiables, les astrophysiciens ont besoin de connaître le plus précisément possible le taux de fusion. Les modèles usuels, développés dans les années 1980, manquent de la précision nécessaire, notamment lorsque les énergies en jeu et la probabilité de fusion sont très basses.
Les réactions nucléaires du cœur des étoiles peuvent être reproduites en laboratoire, mais représentent un véritable défi dans la mesure où la probabilité de fusion est très faible aux énergies concernées. L’approche adoptée habituellement consiste à mesurer la probabilité de fusion à des énergies plus élevées, et à extrapoler ces résultats aux énergies astrophysiques. Toutefois, si la plupart des réactions impliquant des ions lourds comme le carbone montrent une variation homogène des sections en fonction de l’énergie et peuvent être facilement extrapolées, la section 12C + 12C présente toute une série de résonances qui rendent difficile l’obtention d'une extrapolation fiable.
Les mesures de la réaction 12C + 12C à de faibles énergies effectuées par le passé se fondaient sur la détection de particules chargées, ou de rayons gamma émis suite à la fusion, or chacune de ces techniques entraîne des complications et des erreurs systématiques.
Le système STELLA a été conçu pour mesurer simultanément des particules chargées et des rayons gamma issus de la fusion 12C + 12C, ce qui permet de diminuer fortement les incertitudes systématiques liées aux mesures antérieures. L’expérience a été menée à l’accélérateur Andromède de l’IPN d’Orsay, pour une durée de 12 semaines de temps de faisceau. Grâce à ces prises de données longues, il a été possible de réaliser des mesures significatives, à un niveau d’énergie correspondant aux conditions présentes dans la plupart des étoiles massives, ce qui a permis d’obtenir les nouvelles mesures, les plus fiables à l’heure actuelle. L’équipe STELLA espère maintenant étudier la fusion carbone à des niveaux d’énergie encore plus faibles, et envisage une expérience similaire sur l’oxygène.
Le professeur Sandrine Courtin était Fellow USIAS 2015, et travaille au sein de l’Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC) de l’université de Strasbourg (France). Elle collabore de longue date avec le professeur David Jenkins du Nuclear Physics Group de l’université de York (Royaume-Uni), Fellow USIAS 2013.
Pour plus d'informations :
- La fusion 12C+12C dans les étoiles massives serait plus faible qu’attendu (Le Journal, CNRS)
- Advances in the Direct Study of Carbon Burning in Massive Stars (Article en libre accès dans Physical Review Letters, 12/05/20) – en anglais
- 12C + 12C fusion in massive stars could be slower than expected (News, University of York) – en anglais
