Un jeune astronome recrée des nébuleuses en laboratoire

Ben Musci, de l'Institut de technologie de l'État de Géorgie, est le créateur d'un étonnant appareil capable de reproduire sur Terre les motifs si caractéristiques des nébuleuses issues de supernovas. Sa machine « fait deux mètres de haut et ressemble à une grande part de pizza d'un mètre vingt de large au sommet ». En dépit de ses dimensions honorables, la machine en forme de triangle renversé est à peine plus épaisse qu'une porteporte. Une détonation au niveau de la pointe crée une onde de choc qui voyage vers le haut de l'appareil, traversant deux couches de gaz et les amenant à se mélanger. Les motifs turbulents qui en résultent sont illuminés par un faisceau laser traversant tandis qu'une caméra en capture la beauté.

« Nous passons soudainement d'une chambre immobile à une petite supernova. Beaucoup de travail a été nécessaire pour trouver comment contenir le choc, tout en le rendant réaliste au niveau de l'interface gazeuse, dans la fenêtrefenêtre de visualisation », commente Davesh Ranjan, en tête de l'étude dont les résultats ont été publiés dans The Astrophysical Journal. Ben Musci complète : « Le plus difficile a été de corriger les artefacts qui ne font pas partie de la physique des supernovas. J'ai passé un an à me débarrasser de choses comme une onde de choc parasiteparasite, rebondissant contre les parois de la chambre, ou une fuite d'air. [...] J'ai également dû m'assurer que la gravitégravité, le rayonnement de fond et la température ne ruinaient pas l'expérience. »

Explosion artistique

Nombre de nébuleuses sont les vestiges de supernovas, l'explosion simultanée des différentes couches de gaz qui forment une étoileétoile. C'est le mélange de ces éléments qui donne naissance aux splendides motifs que l'on peut observer au télescopetélescope. « Vers l'extérieur, les gaz ont une densité faible, et une densité élevée vers l'intérieur ; à l'intérieur de l'astreastre, la densité commence à forcer les gaz à fusionner pour former le noyau ferreux de l'étoile. » Lorsque l'astre explose dans un ultime hoquethoquet cosmique, les gaz lourds de l'intérieur de l'étoile sont propulsés à travers les couches plus légères et y dessinent un relief turbulent. L'onde de choc est suivie par une chute de pressionpression qui étire les gaz et donne lieu à de nouveaux mélanges.

La machine créée par Ben Musci pour reproduire les motifs caractéristiques des nébuleuses. © Ben Musci, Georgia Tech

Échos de supernova

L'explosion traversant les deux couches de gaz (l'une dense, l'autre légère) dans l'appareil de Musci a pour but d'imiter une petite supernova sur Terre. « L'une des choses les plus intéressantes que nous ayons observées fait écho à un mystère des supernovas : elles projettent vers l'extérieur des gaz de haute densité baptisés éjectas, ce qui pourrait aider à la création de nouvelles étoiles. Nous avons pu voir une partie de cette éjection de gaz dans l'appareil, lorsque le gaz lourd se propageait à l'intérieur du gaz léger », commente Ben Musci.

Cette série de photo offre un aperçu des effets produits par la « machine à supernovas ». © Ben Musci, Georgia Tech

Grâce à la machine, le jeune chercheur a pu affiner le calcul des vitessesvitesses de propagation de cette matièrematière éjectée, aussi nommée rémanentrémanent de supernova, et de mieux en saisir la nature. Ainsi, si nous connaissons par exemple la date d'apparition de la nébuleuse du Crabenébuleuse du Crabe, décrite par les astronomesastronomes chinois en 1054, la machine développée par Musci pourrait permettre d'estimer la date de naissance d'autres nébuleuses. Mais ses applicationsapplications ne s'arrêtent pas là car celle-ci pourrait également aider au développement de la fusion nucléairefusion nucléaire, au travers d'un phénomène inverse caractérisé par la compression intense de matière depuis l'extérieur vers l'intérieur.

RESOLUT : des mini-supernovae en laboratoire !

Article publié par Laurent SaccoLaurent Sacco, le 24 août 2007

Des chercheurs aux USA reproduisent en laboratoire les conditions régnant lors de l'explosion des supernovaesupernovae. Un nouveau dispositif, RESOLUT, permet une étude plus fine de la production de noyaux exotiquesexotiques instables à l'origine des éléments lourds au delà du ferfer. Ces études pourraient même aider à comprendre la nature de l'énergie noireénergie noire.

L'astrophysiqueastrophysique nucléaire est une des disciplines les plus fascinantes en astrophysique puisque grâce à elle on arrive à expliquer l'origine des éléments et de la source de l'énergie des étoiles. Nous savons que les processus chimiques ou biologiques ne peuvent pas convertir un atomeatome d'un élément en un autre, seules les réactions nucléairesréactions nucléaires peuvent changer la charge et la massemasse d'un noyau atomique et donc le convertir en un autre élément. En fait, l'abondance relative des éléments et des isotopesisotopes que nous trouvons dans la nature représente une signature des processus nucléaires à l'œuvre dans l'histoire de l'UniversUnivers de son commencement jusqu'à aujourd'hui.

La nucléosynthèse primordiale et la nucléosynthèse stellaire ne produit que des éléments légers.

Nous savons ainsi que les noyaux d'hydrogènehydrogène ont été formés peu de temps après le Big BangBig Bang et que des processus nucléaires ont fait fusionner une partie de cet hydrogène pour produire de l'héliumhélium et du lithiumlithium environ 3 minutes après la naissance du cosmoscosmos. Cependant, cette nucléosynthèsenucléosynthèse primordiale ne pouvait pas procéder beaucoup plus loin parce qu'il n'est pas possible de former dans les conditions qui régnaient alors des noyaux stables avec une masse atomique de 5 ou de 8.  C'est plus tard, quand l'hydrogène se sera condensé pour former des étoiles, que l'on pourra obtenir par nucléosynthèse stellaire l'ensemble des éléments jusqu'au fer. Les éléments les plus légers seront eux obtenus par cassure (spallation) des éléments plus lourds exposés aux rayons cosmiquesrayons cosmiques.

Si l'on trace la courbe des énergies de liaison des noyaux, on voit que le fer occupe  la crête de cette courbe, ce qui veut dire que le processus de fusion finit avec lui et l'on s'est naturellement demandé comment des éléments plus lourds comme l'argentargent ou le plombplomb avaient bien pu se former.

 Energie de liaison par nucléon en MeV vs. Nombre de masse A (protons + neutrons). L'énergie de liaison par nucléon représente l'énergie à dépenser en moyenne pour arracher un nucléon d'un noyau. C'est un étalon de la stabilité d'un noyau. Cette courbe de l'énergie de liaison en fonction du nombre de nucléons porte le nom du physicien anglais F.W.Aston, qui fut un des pionniers des mesures de masse des noyaux et obtint un prix Nobel en 1922 (Crédit : GIGC Université libre de Bruxelles).

La nucléosynthèse explosive

La réponse habituelle consiste à faire intervenir des additions lentes ou rapides de neutrons. Dans le dernier cas, cela se produirait dans les explosions de supernovae et peut-être même lors de collisions d'étoiles à neutronsétoiles à neutrons. Les noyaux produits sont alors instables et se désintègrent très très rapidement. Il n'en existe plus dans le système solairesystème solaire depuis bien longtemps par exemple. Si l'étude de la nucléosynthèse des éléments légers s'est déroulée sans trop de problèmes avec ces éléments plus stables et plus légers que le fer, cela n'a pas été le cas pour les noyaux plus lourds.

Il reste nombre d'incertitudes sur les réactions exactes mises en jeu entre les noyaux exotiques qui seraient produits par les supernovae, et surtout, dans les calculs précis des abondances résultantes après désintégration en différents isotopes.

On aimerait bien en savoir plus, notamment parce que les isotopes et les infimes variations de leurs abondances sont des clés pour tracer les processus cosmogénétiques à l'origine du système solaire et de l'évolution des planètes.

Les noyaux stables au delà du fer sont produits par additions rapides de neutron à partir des noyaux en rouges pour occuper la région à droite de ceux-ci puis se désintègrent par radioactivité bêta.

Les mini-explosions stellaires en laboratoire

C'est dans ce but que le John D. Fox Superconducting Linear Accelerator Laboratory de la Florida State University a été équipé, en 2002, de REsonator SOLenoid with Upscale TTransmission, en un mot RESOLUT. Grâce à ce dispositif de 16 tonnes, les chercheurs peuvent produire et étudier les noyaux exotiques apparaissant dans les explosions de supernovae. Pour cela, des faisceaux de lithium sont accélérés à 10% de la vitesse de la lumièrevitesse de la lumière et c'est en entrant en collision avec une cible fixe que l'on produit les précieux noyaux qui sont à leur tour sélectionnés et focalisés magnétiquement pour être accélérés et entrer en collision avec une nouvelle cible. Les produits de réactions étudiés nous renseignent alors sur les noyaux exotiques eux-mêmes.

Une retombée particulièrement intéressante de ces études est que, pendant une fraction de seconde, des noyaux instables qui doivent être synthétisés par les supernovae de type SNSN Ia sont obtenus. Or, ces supernovae sont couramment utilisées comme étalon de distance en cosmologiecosmologie en raison de la relative « stabilité » de leur brillance. Ce sont ces supernovae, en particulier, qui ont permis de découvrir l'expansion accélérée de l'Univers en 1998, mais il a fallu pour cela utiliser des corrections tenant compte principalement de la quantité de nickelnickel 56 produit par l'explosion et se désintégrant en cobaltcobalt 56, mais d'autres isotopes radioactifs pourraient peut-être en partie intervenir avec le nickel 56.

RESOLUT pourrait donc nous permettre d'affiner notre connaissance des SN Ia et donc de mesurer un peu plus précisément l'accélération de l'expansion de l'Universaccélération de l'expansion de l'Univers causée par la toujours mystérieuse énergie noire.