Les étoiles au plomb Cauchemar d'alchimiste, Rêve d'astronome

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1 Les étoiles au plomb Cauchemar d'alchimiste, Rêve d'astronome
CEPULB novembre 2004 Les étoiles au plomb Cauchemar d'alchimiste, Rêve d'astronome « Comment en un plomb vil l'or pur s'est-il changé ? » Racine, J. : 1691, Athalie, III, 7

2 Alchimie Sous l'action des astres, les métaux vils deviennent des métaux purs; mais ce travail, qui s'effectue au sein de la terre, est très lent. L'alchimiste cherchera, dans son laboratoire, à réduire le laps de temps nécessaire à ces transformations. Des alchimistes aux briseurs d'atomes, Rassenfosse et Guében, 1928 "Par la résolution des mixtes, séparer le pur de l'impur" "Le plomb renferme beaucoup de terre: il est opaque et gris foncé; l'or contient beaucoup moins de terre et un peu de feu qui le colore" Paracelse décrit minutieusement la Pierre philosophale, qu' il a vue semblable à un rubis foncé. Cosme Ier de Médicis paye ducats la recette de la transmutation du plomb en or, recette qu'il avait expérimentée et reconnue exacte. Helvétius, Spinoza, Newton, ...

3 Sommaire Spectroscopie De quoi sont faites les étoiles?
D'où tirent-elles leur luminosité? Les constituants de la matière Quelques processus de nucléosynthèse L'évolution stellaire Le processus s: des preuves: Tc, étoiles à Ba, étoiles S une prédiction testable: l'existence d'étoiles au plomb vérification de cette prédiction à la recherche de bonnes candidates observations résultats Conclusion

4 Le spectre électromagnétique

5 Le spectre électromagnétique

6 Spectroscopie Spectre continu Spectre en absorption
Spectre en émission Chaque élément possède son propre système de raies. Un système de raies détermine donc un élément de manière univoque. Hélium Oxygène

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8 Spectroscopie Spectre d'une étoile

9 Le spectre du soleil Fraunhofer (1817)

10 De quoi sont faites les étoiles?
1802: William Wollaston ( ) remarque que le spectre du soleil comporte des raies obscures. Attribue ces raies à des séparations naturelles entre les couleurs. 1814: Fraunhofer observa 600 raies dans le spectre solaire et mesura la longueur d'onde de 324 raies. 1864: Huggins fit correspondre certaines de ces raies observées dans les étoiles avec des raies de substances observées en labo, démontrant que les étoiles sont faites de matière "normale"

11 Sources d'énergie stellaire (suite)
Chimique ? " Si le soleil était composé de charbon de terre massif brûlant dans l'oxygène pur, il ne pourrait brûler pendant plus de six mille ans sans être entierement consumé: il serait donc éteint depuis l'origine des temps historiques " Camille Flammarion, Astronomie Populaire (1879) Helmholtz a realise que c'était impossible en 1854, (il a trouve 5000 ans pour l'énergie chimique) Il invoqua alors la contraction gravitationnelle. Le soleil pouvait ainsi etre age de 20 millions d'années sans que l'on ne se rende compte de sa contraction. Autre suggestions: lord Kelvin (qui avait deja son idee sur l'origine de la vie a partir du bombardement meteoritique) imagina que des corps ayant la masse de la terre percutaient en permanence le soleil, dissipant suffisamment d'energie cinetique pour expliquer son rayonnement. C. Young s'y opposa, en expliquant que cette matiere proche du soleil perturberait le mouvement de Mercure. Mais par des mesures de radioactivite on sait que les roches lunaires ont 4 milliards d'années.  impossible

12  Kelvin Helmholtz ≈ 30 millions d'années
Gravitationnelle? Temps de vie du soleil:  Kelvin Helmholtz ≈ 30 millions d'années or l'âge de la terre est déjà de 4.6 milliards d'années Historiquement, ce fut difficile de determiner la source d'energie des etoiles. La meilleure reponse incomplete fut donnée par Helmholtz et Kelvin, qui suggérèrent que les etoiles tiennent leur energie de la contraction gravitationnelle. Pour Helmholtz, une contraction de 76m/an expliquerait l'emission actuelle.  impossible

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14 Sources d'énergie stellaire (fin)
Nucléaire ? Combustion de l'hydrogène en hélium: 4p  4He Temps de vie du soleil:  nucléaire ≈ 10 milliards d'années 1 eV = travail effectué par une charge unité qui se deplace dans un champ electrique de 1V 1uma = 1/12 masse de 12C; dans 12g il y a Na noyaux de 12C donc dans 1g il y a Na uma.  la source d'énergie stellaire doit être nucléaire et principalement assurée par la combustion d'hydrogène en hélium

15 Les constituants de la matière
ELECTRONS: chargés négativement PROTONS: 1836 fois la masse de l'électron; chargés positivement Nombre de protons: Z  neutrons: environ la même masse que le proton; non chargés Nombre de neutrons: N

16 Les atomes Les protons et neutrons s'associent en nombre à peu près égal (stabilité) pour former un noyau nucléaire Autour du noyau orbitent un nombre d'électrons égal au nombre de proton (neutralité électrique) Le nombre de protons détermine l'element, le nombre de neutrons determine l'isotope. Ex: le carbone (6 protons) (diamant, graphite) a de nombreux isotopes dans la nature. 12C stable, 14C instable et beaucoup moins repandu. Le deuterium et le tritium sont 2 isotopes de l'hydrogene. Particule alpha: noyau d'helium (sans les électrons, donc 2 fois ionisé). Le tout forme un atome, caractérisé par le nombre de protons Z du noyau

17 Les éléments chimiques
Le nombre de protons va fixer les propriétés microscopiques de l'atome: capacité de se lier avec d'autres atomes, interaction avec la lumière, facilité à perdre / gagner des électrons, etc. Quand une quantité énorme d'atomes de même type est réunie, les propriétés microscopiques de l'atome se traduisent par des caractéristiques macroscopiques: état gazeux, liquide ou solide à une température donnée, couleur, consistance, viscosité / dureté

18 Carte de Segrè des nucléides

19 Carte de Segrè des nucléides

20 La nucléosynthèse Nucléosynthèse = synthèse des noyaux
La théorie de la nucléosynthèse explique l'origine et les abondances relatives des éléments chimiques dans l'Univers Courbe d'abondance des éléments chimiques et de leurs isotopes dans le système solaire: roches terrestres météorites: chondrites carbonées, météorites primitives représentatives de la composition chimique de la nébuleuse protosolaire spectroscopie solaire et stellaire  La courbe d'abondance est universelle ! roches terrestres ≈ météorites ≈ Soleil ≈ étoiles Li solaire different du Li meteoritique: car destruction du Li dans le soleil meteorites pauvres en elements volatils (He) à quelques exceptions près: Li, Be, B solaire ≠ Li, Be, B météoritique météorites pauvres en éléments volatils (He) différences étoiles - soleil (évolution stellaire, évolution chimique de la Galaxie)  La similitude de la composition des objets de l'univers suggère une parenté commune pour l'ensemble des noyaux atomiques

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22 La nucléosynthèse Nucléosynthèse = synthèse des noyaux
La théorie de la nucléosynthèse explique l'origine et les abondances relatives des éléments chimiques dans l'Univers Courbe d'abondance des éléments chimiques et de leurs isotopes dans le système solaire: roches terrestres météorites: chondrites carbonées, météorites primitives représentatives de la composition chimique de la nébuleuse protosolaire spectroscopie solaire et stellaire  La courbe d'abondance est universelle ! roches terrestres ≈ météorites ≈ Soleil ≈ étoiles Li solaire different du Li meteoritique: car destruction du Li dans le soleil meteorites pauvres en elements volatils (He) à quelques exceptions près: Li, Be, B solaire ≠ Li, Be, B météoritique météorites pauvres en éléments volatils (He) différences étoiles - soleil (évolution stellaire, évolution chimique de la Galaxie)  La similitude de la composition des objets de l'univers suggère une parenté commune pour l'ensemble des noyaux atomiques

23 Abondance Nombre de protons

24 Energie de liaison La masse d'un noyau est toujours inférieure à la somme des masses de ses constituants: Défaut de masse = (Z Mp + N Mn) - Mnoyau (Rappel: noyau = A nucléons dont Z protons et N neutrons) Formation du noyau à partir de ses constituants (neutrons et protons): qu'est devenu cette masse manquante?  Libérée sous forme d'énergie (rayon gamma): E = m c2 Energie de liaison du noyau = c2 [(Z Mp + N Mn) - Mnoyau ] C'est aussi l'énergie qu'il faut fournir au noyau pour le briser en ses constituants (neutrons et protons). au moment de la fusion, l'energie de liaison est transformee en rayon gamma. Absorbee puis reemise de nombreuses fois par la matiere solaire, cette lumière arrive a la surface sous forme de photons jaunes. le soleil brille.

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26 Similarités entre la courbe d'abondance universelle et la courbe de l'énergie de liaison par nucléon
 la proportion des éléments de l'univers reflète des mécanismes nucléaires environnements très chauds/ particules très énergétiques Big Bang Etoiles Dès 1920: Arthur Eddington suggère que les étoiles tirent leur énergie de la fusion de l'hydrogène en hélium (controverse: Perrin?)

27 Preuve supplémentaire
En 1952, Merrill observe du technétium à la surface d'étoiles S Or tous les isotopes du technétium sont instables (radioactifs) Durées de vie inférieures à quelques millions d'années, donc bien inférieures à l'âge de l'univers.  une nucléosynthèse a lieu dans les étoiles Technetium: produit pour la 1ere fois en 1937 dans le cyclotron de Berkeley. Identifié par Segré et Perrier, qui le nomèrent technitium, du grec tecnico, artificiel, car c'était le 1er élément produit artificiellement. A ture usuelle c'est un métal solide, gris-argenté Utilisé comme traceur médical (vu sa radioactivité).

28 Technétium: radioactif  si une étoile a du Tc, alors elle est en train d'en fabriquer.

29 Les grandes classes de processus de nucléosynthèse
La nucléosynthèse primordiale (Big Bang) production de deuterium (1%), He (24%), Li, Be à partir des protons primordiaux La nucléosynthèse par spallation (milieu interstellaire) production de Li, Be, B La nucléosynthèse non explosive Associée aux cycles de production d'énergie combustion de H (cycle pp, CNO) combustion de He (réaction triple alpha) combustion de C, O, Ne, Mg, Si production de la majorité des nucléides plus légers que Fe Auxiliaire aux cycles de production d'énergie processus s (« slow ») -> production d'éléments plus lourds que le fer La nucléosynthèse explosive Lors des explosions de type novae (cycle CNO chaud) Lors des explosions de type supernovae combustion H, He, C, O, Ne, Mg, Si processus r (« rapid ») -> production d'éléments plus lourds que le fer processus p (photo-émissions de neutrons) -> production d'éléments plus lourds que le fer

30 Nucléosynthèse du big bang

31 combustion de l'hydrogène

32 Combustion de l'hélium

33 Fred Hoyle - structure et évolution stellaire, nucléosynthèse
- étude du processus triple alpha (combustion de He), et, pour expliquer l'abondance de carbone dans la nature, prédiction d'un niveau excité du 12C, plus tard confirmée par l'expérience par les physiciens nucléaires de Caltech. Lien controversé avec le principe anthropique. - article B2FH - adversaire du Big Bang, partisan de la création continue - partisan de la panspermie - condamnation du fait que Jocelyn Bell n'ait pas obtenu le prix Nobel pour la découverte des pulsars en même temps que son directeur de thèse Antony Hewish - auteur de livres de science-fiction (Le nuage noir)

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40 Le diagramme de Hertzsprung-Russell L'évolution stellaire

41 La nucléosynthèse non explosive
Auxiliaire aux cycles de production d'énergie Processus s (« slow ») capture lente de neutrons tout isotope instable se désintègre avant de capturer un nouveau neutron production d'éléments plus lourds que le fer (isotopes proches de la vallée de stabilité, jusqu'au 208Pb et 209Bi) Ex: 56Fe  57Fe  58Fe  59Fe (captures de neutrons sur noyaux stables) puis: 59Fe  59Co + e- + e (désintegration beta -)

42 processus s et r: signature

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46 Spallation

47 Milieu interstellaire

48 Démarche historique 1920: Arthur Eddington suggère que les étoiles tirent leur énergie de la fusion de l'hydrogène en hélium. Querelle Perrin (1919) 1928: George Gamow ( ) introduit le facteur de Gamow (formule donnant la probabilité d'une réaction nucléaire). Fameux article "Alpher-Bethe-Gamow". Echec de Gamow pour élaborer les éléments plus lourds que l'hélium lors du Big Bang. Gamow: physicien et cosmologiste ukrainien. These de doctorat sur le modele de la goutte liquide. s'enfuit aux etats-unis en 1934. Facteur de gamow: S(E): facteur qui indique comment la section efficace de reaction nucleaire varie avec l'énergie. Cycle CNO découvert independamment par Carl von Weisacker en 1938. 1938: Hans Bethe décrit les différentes possibilités de combustion de l'hydrogène en hélium et sélectionne les 2 processus à l'oeuvre dans les étoiles (cycles pp et CNO). Pense que le soleil utilise le cycle CNO. Prix Nobel 1967.

49 1957: Margaret Burbidge, Goeffrey Burbidge, William Fowler et Fred Hoyle publient leur article B2FH, qui explique comment les étoiles peuvent fabriquer tous les éléments (8 processus, le 8ème étant "x-process", pour D, Li, Be, B).

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51 SAD les abondances diminuent lorsque la masse atomique augmente, jusqu'à un gros pic de surabondances, avec le Fer 56 comme element principal. Or le Fer 56 est un élément très particulier, car il possède la plus grande énergie de liaison par nucléon.

52 Processus s: des preuves
Technétium  99Tc fabriqué par le processus s - radioactif  si une étoile a du Tc, alors elle est en train de fabriquer des éléments par le processus s

53 Processus s: des preuves
N=50: Sr,Y,Zr  étoiles S 

54 Processus s: des preuves
N=82: Ba,La,Ce Étoiles à baryum

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56 Prédiction du processus s
« Le processus s est plus efficace à faible métallicité » (Goriely & Mowlavi 1999) Métal: tout élément susceptible d'être produit dans une étoile. Métallicité: quantité de métaux (par ex: fer) présents dans l'objet étudié. atomes de fer atomes d'hydrogène ( ) Étoile log = [Fe/H] ( ) Soleil Exemple: [Fe/H] = -1: l'étoile a 10 fois moins de métaux que le soleil [Fe/H] = -2: l'étoile a 100 fois moins de métaux que le soleil

57 Que nous apprend la métallicité ?
Tous les métaux sont produits au coeur d'étoiles A la fin de sa vie, l'étoile disperse les métaux produits au cours de sa vie dans l'espace interstellaire

58 Cette matière « processée »
se retrouve dans les nuages interstellaires ... Nuages sombres moléculaires Proto-étoiles ... à partir desquels se reforment de nouvelles étoiles Nouvelle étoile

59 crées par les générations précédentes d'étoiles
Donc chaque génération d'étoiles est enrichie en métaux crées par les générations précédentes d'étoiles Dans un système fermé, comme notre Galaxie, les étoiles avec une métallicité plus faible (petit [Fe/H]) seront plus vieilles que les étoiles de métallicité plus grande (grand [Fe/H]) Relation âge-métallicité

60 Prédiction du processus s
« Le processus s est plus efficace à faible métallicité » (Goriely & Mowlavi 1999) N=126 N=126: Pb,Bi Très faible métallicité N=50 N=82: Ba,La,Ce N=82 Faible métallicité N=50: Sr,Y,Zr Métallicité solaire Plomb A faible métallicité, les étoiles enrichies en éléments s doivent contenir beaucoup de plomb

61 A la recherche de bonnes candidates
A faible métallicité, les étoiles enrichies en éléments s doivent contenir beaucoup de plomb A la recherche d'étoiles . enrichies en éléments s Étoiles AGB ET . de faible métallicité Problème: on ne connaît pas d'étoile AGB de faible métallicité... Idée: étoiles CH . étoiles enrichies en éléments s ET . étoiles de faible métallicité ([Fe/H] ~ -1) Candidates idéales pour tester la prédiction théorique Ce ne sont pourtant pas des étoiles AGB: elles sont trop peu lumineuses Dès lors, pourquoi sont-elles enrichies en éléments s ?

62 Les étoiles CH vraies images Étoiles binaires ... Vue d'artiste
... polluées par de la matière éjectée, par le passé, par leur compagnon qui était alors une étoile AGB

63 Les étoiles CH ont été polluées
par une AGB de faible métallicité Elles permettent donc de tester le processus s Il suffit de rechercher du plomb dans les étoiles CH Demande de temps de télescope à l'ESO (Observatoire Européen austral)

64 L'observatoire de La Silla (Chili)

65 Le télescope de 3m60 équipé du spectrographe CES (Coude Echelle Spectrograph)

66 Spectres réduits au télescope

67 Au retour de mission, - réduction soignée des images CCD - analyse des spectres: détermination de l'abondance de plomb par synthèse spectrale au travers d'un modèle d'atmosphère adapté.

68 Détermination de l'abondance de plomb par synthèse spectrale
Comparaison avec les modèles de nucléosynthèse

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70 Efficacité du processus s en fonction de la métallicité
2001

71 Efficacité du processus s en fonction de la métallicité
2002 La fin de l'histoire? Non!

72 Efficacité du processus s en fonction de la métallicité
2003

73 Petite conclusion Pas vraiment de conclusion...
Les modèles actuels de nucléosynthèse ne permettent pas d'expliquer toutes les observations Poisons neutroniques, rotation, 3D, ... Les abondances dérivées des observations sont entachées de grandes barres d'erreur Des observations plus nombreuses sont requises pour dégager des tendances Spectres UVES du Very Large Telescope

74 Conclusion plus générale
« Comment en un plomb vil l'or pur s'est-il changé ? » Racine, J. : 1691, Athalie, III, 7 Poussières d'étoiles...

75 Fin

76 Les grandes classes de processus de nucléosynthèse
La nucléosynthèse primordiale (Big Bang) production de deuterium (1%), He (25%), Li, Be a partir des protons primordiaux La nucléosynthèse par spallation (milieu interstellaire) production de Li, Be, B La nucléosynthèse non explosive Associée aux cycles de production d'énergie combustion de H (cycle pp, CNO) combustion de He (réaction triple alpha) combustion de C, O, Ne, Mg, Si production de la majorité des nucléides plus légers que Fe Auxiliaire aux cycles de production d'énergie processus s (« slow ») -> production d'éléments plus lourds que le fer La nucléosynthèse explosive Lors des explosions de type novae (cycle CNO chaud) Lors des explosions de type supernovae combustion H, He, C, O, Ne, Mg, Si processus r (« rapid ») -> production d'éléments plus lourds que le fer processus p (photo-émissions de neutrons) -> production d'éléments plus lourds que le fer

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78 OBAFGKM RNS Oh Be A Fine Guy/Girl Kiss Me
Only Boys accepting Feminism Get Kissed Meaningfully Official Bureaucrats At Federal Government Kill Many Researchers' National Support Observationalists Basically Are Fine Generous Kind Men (Really Not Sexist) Oh backward Astronomer, Forget Geocentricity; Kepler's Motions Reveal Nature's Simplicity Only Boring Astronomers Find Gratification Knowing Mnemonics

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80 Processus r et s

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