La nucléosynthèse stellaire
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Nucléosynthèse stellaire
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NUCLÉOSYNTHÈSE
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La nucléosynthèse stellaire
La nucléosynthèse stellaire. Ecole e2phy la Physique des Extrêmes
Enseignement scientifique
Fusion fission
1ère partie
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Le Système Solaire
La nucléosynthèse stellaire. La fusion de l'hydrogène. C'est la nucléosynthèse qui se produit au sein du soleil une étoile de faible masse (et donc qui vit
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LES RÉACTIONS NUCLÉAIRES DANS LES ÉTOILES
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1 Nucléosynthèse primordiale 2 Evolution stellaire (focus sur les étoiles les plus massives) A Connaître et analyser les étoiles
Quels sont les éléments formés lors de la nucléosynthèse stellaire ?
Nucléosynthèse primordiale et nucléosynthèse stellaire
Elle est responsable de la première apparition des noyaux légers comme l'hélium, le deutérium et du lithium. La nucléosynthèse stellaire a lieu dans les étoiles et se déroule en deux temps.Où s'effectue la nucléosynthèse stellaire ?
La nucléosynthèse stellaire est le terme utilisé en astrophysique pour désigner l'ensemble des réactions nucléaires qui se produisent à l'intérieur des étoiles (fusion nucléaire et processus s) ou pendant leur destruction explosive (processus r, p, rp) et dont le résultat est la synthèse de la plupart des noyauxQuand a eu lieu la nucléosynthèse stellaire ?
1957 : la percée théorique
complète de la nucléosynthèse stellaire (Dans le domaine de l'astrophysique, la nucléosynthèse stellaire est le terme qui). Cet article est devenu tellement cél?re qu'il est le plus souvent cité- La nucléosynthèse peut être subdivisée en quatre types: la nucléosynthèse primordiale qui a eu lieu durant les premières minutes du Big Bang. la nucléosynthèse stellaire qui se déroule durant la vie de l'étoile. la nucléosynthèse stellaire explosive qui se déroule lors de l'explosion des étoiles massives (supernova)
FORMATION DES ÉLÉMENTS CHIMIQUES
DANS L'UNIVERS
VIE ET MORT DES ÉTOILES
Gérard SCACCHIALS 8/12/2011
2ATOME
REPRÉSENTATION SYMBOLIQUE DU NOYAUZ
AXnombre de
nucléons = nombre de masse nombre de protons = numéro atomique = nombre de chargeélément chimiquenombre de neutrons = A - ZEx : noyau : 1 p
0 n 1 1H2656Fenoyau : 26 p
( 56 - 26 ) = 30 n 1 2H13HIsotopes : même Z , nombre de neutrons différent :
deutérium tritium3ATOME (suite)
CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS CHIMIQUES actuellement : 118 éléments connus dont 94 naturelsRôle particulier du Fer ( Z = 26 )
4RÉACTIONS NUCLÉAIRES
RÉACTION DE FUSION
ex : H He (coeur des étoiles . 10 millions de K )4 11H 2
4He + 21
0e(mécanisme plus loin)
ΔE = ( 4 mH - mHe - 2 me+ ) c2 perte de masse = 2,4 . 109 kJ / mole énergie libérée par la formation d'une mole de HeComparaison avec les réactions chimiques
ex : C + O2 = CO 2 ΔE = 400 kJ / mole de CO2 Facteur ≈ 107 ( 10 millions ) entre réactions nucléaires et réactions chimiques Entre noyaux atomiques uniquement (pas d'intervention des électrons) ≠ chimie Soleil :chaque seconde : consommation de 600 millions de t de H perte de masse : 4 millions de t énergie5NUCLÉOSYNTHÈSE
3 types :
1 - Nucléosynthèse primordiale (naissance univers)
éléments très légers : 1
2H1 3H2 3He2 4He37Li ( )
2 - Nucléosynthèse stellaire ( étoiles ) :
- phase " calme » tous les éléments entre Li et Fe - phase " explosive » tous les éléments plus lourds que Fe3 - Nucléosynthèse interstellaire
11HLi , Be et B
6NUCLÉOSYNTHÈSE PRIMORDIALE
Donne naissance aux éléments très légers Modèle du big-bang ( b.b.) 13,7 milliards d'années Jusqu'à 1 s après le b.b. : T = 1010 K ( 10 milliards ) " Soupe de particules élémentaires » , dont les plus connues :
photons γ , électrons , protons , neutrons-1 0e- 1 1H01n 2 à 3 minutes après le b.b. : T = 109 K ( 1 milliard )
nombreuses réactions parmi lesquelles : 1 1H+0 1n12H+γ
1 2H0 1n+ +13H+γ
7NUCLÉOSYNTHÈSE PRIMORDIALE (suite)1
2H1 1H+2 3He 1 2H1 2H2 4He+ 2 4He1 3H+37Li+γ
(instable) Abondances relatives prévues par le modèle du b.b. ≡ celles observéesH et He = 98 % de la
matière dans l'Univers75 % de H , 23 % de He
% atomiques : 92 et 7Ce sont les plus vieux noyaux atomiques du monde
Présents ( H surtout ) en chacun de nous .....
TOUTE LA SUITE ( nucléosynthèses stellaire et interstellaire ) = transformation et diversification de la matière créée au moment du b.b. Il n'y a plus de création nette de matière depuis8NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME »
Après quelques centaines de millions d'années , la matière s'organise enétoiles , galaxies , amas de galaxies ...
FONCTIONNEMENT D'UNE ÉTOILE
Corps gazeux , en équilibre hydrostatique ( pendant la phase " calme » ) : - gravitation qui tend à comprimer l'étoile - réactions thermonucléaires au centre , qui s'opposent à cette contraction ( pression des gaz + pression de radiation )Équilibre stable
9NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
ALTERNANCE DE CYCLES DANS LE FONCTIONNEMENT
" CALME » D'UNE ÉTOILENaissance d'une étoile :
contraction d'un nuage de gaz ( H2 ) et de poussières Ex : " les piliers de la création » = " pouponnière d'étoiles » dans la nébuleuse de l'Aigle ( télescope Hubble - 1995 )7000 années-lumière de la
Terre1 a.l. = 10 000 milliards km
Taille des nuages : 3 a.l.
Pour comparaison :
dimensions du système solaire : 20 heures-lumièresystème solaire à cette échelle : ( x 10 ) ...10NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
ALTERNANCE DE CYCLES DANS LE FONCTIONNEMENT
" CALME » D'UNE ÉTOILE Contraction initiale du nuage de gaz : T (10.106 K) fusion de H He (premier équilibre) épuisement de Hépuisement fusion de He nouvelle de He C et O contraction (second équilibre) ( T = 100.106 K) nouvelle fusion de C etc..... jusqu'à 4.109 K (4 milliards) contraction Ne et Mg ( T = 800.106 K) (nouvel équilibre) Selon la masse initiale Me de l'étoile : arrêt ± tôt dans cet enchaînement11NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
1 - CONDITIONS D' " ALLUMAGE » DES RÉACTIONS
NUCLÉAIRES
Pour TOUTES les étoiles : contraction initiale d'un nuage de gaz ( H2 ) Si : masse de gaz Me < 0,08 Ms (masse solaire) pas d'allumage des réactions thermonucléaires naine brune = " étoile manquée » , intermédiaire entre une planète géante et une " vraie » étoile , de petite taille ( naine rouge) destin : refroidissement très lent Si : masse de gaz Me ≥ 0,08 Ms allumage de la fusion de H vraie étoileéchauffement
12NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
2 - FUSION DE L'HYDROGÈNE
Nécessite T = 10.106 K (10 millions)
Concerne l'évolution nucléaire de 90 % des 200 milliards d' étoiles de notre Galaxie1er maillon de la chaîne de nucléosynthèse stellaire
2 manières de fusionner H : cycle proton-proton
cycle C N O ( catalytique - étoiles massives )Cycle proton - proton ( cycle p-p) :
Cycle important pour les petites et moyennes étoiles ( cycle p-p = 9 / 10 de l'énergie du Soleil )10.106 K < T < 20.106 K ( Soleil : 15 millions K )
13NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
Mécanisme du cycle proton -proton1
1H1 1H12H+1
0e+ υ
1 2H1 1H+23He+γ
2 3He224He+21
1H+ 1 1H424He1
0eγυυυ
υ+ 2++(neutrino)
Bilan :(x 2)
(x 2) (calcul de l'énergie dégagée :cf précédemment)14NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
Fusion de H
processus lent (par rapport aux autres fusions) grande quantité de H explique la longévité desétoiles moyennes
(Soleil : 10.109 années)ÉPUISEMENT DE H
nouvelle contraction si Me > 1/3 Ms ( Soleil )T = 100.106 K (100 millions)
FUSION de Hesi Me < 1/3 Ms
arrêt à ce stade contraction insuffisante pour allumer la fusion de He refroidissement petite naine noire contraction suffisante pour atteindre15NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
3 - FUSION DE L'HÉLIUM
T = 100.106 K ( 100 millions) Me > 1/3 Ms au coeur de l'étoile : instable2 4He4 8Be8 16O612Cà la fin de la phase de fusion de He : coeur de C et O
ÉPUISEMENT DE He
nouvelle contraction si Me > 8 Ms contraction suffisante pour atteindre T = 800.106 K FUSION DE C (puis des suivants)si Me < 8 Ms cas du Soleil arrêt à ce stade ( cf. diapos suivantes)16NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
SORT DES ÉTOILES DE MASSE Me : 1/3 Ms < Me < 8 Ms ( type Soleil ) coeur : fusion de He C et O très haute T ( 100 . 106 K ) enveloppe (moins chaude) : H restant commence à fusionner en He fusion en couches dilatation énorme des régions externesde l'étoile : l'étoile = géante rouge , qui perd une partie de son enveloppe forme d'un vent stellaire ,
sous forme d'un vent stellaire relativement lent ( 20 km/s ) et dense Echanges entre le coeur et l'atmosphère de l'étoile enrichissement du milieu interstellaire en C et O Ex du Soleil : dans 5 milliards d'années géante rouge rayon multiplié par 200 : 0,7 . 106 150 . 106 km il " absorbera » l'orbite de Mercure et celle de Vénus et atteindra celle de la Terre ( carbonisée )17 Taille du Soleil comparée à celles des étoiles Géantes et Super Géantes
( 1 pixel) rouges 1819NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (suite)
SORT DES ÉTOILES DE MASSE Me : 1/3 Ms < Me < 8 Ms ( suite) ( type Soleil ) puis épuisement de He : contraction du coeur de C et O naine blanche T = 20 à 50 000 K Plus d'activité thermonucléaire : étoile morte soutenue par la P de dégénérescence des e- ( volume réduit ) diamètre ≈ terrestre densité = 1 t / cm3 refroidissement (dizaines de milliards d'années) naine noire (cristallisation en diamant) lors de la contraction en naine blanche : vent stellaire 100 fois + rapide (2000 km/s) qui rattrape le matériau du vent lent compression en une coquille , gonflée par la P nébuleuse planétaire avec la naine blanche au centre20 Nébuleuse
planétaireM 57 ( Lyre )
2000 a.l.
diamètre : 1,3 a.l.Naine blanche
au centre21Nébuleuse planétaire du Spirographe ( à 2000 a.l. Constellation du Lièvre )
Naine blanche au centre
22NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " CALME » (fin)
4 - FUSIONS SUIVANTES , POUR LES ETOILES : Me > 8 Ms
fusion épuisement nouvelle contraction fusion etc... nouvelle T de la " cendre » précédente He C Ne O Si Remplissage du coeur de l'étoile par le Fer = dernière phase de la nucléosynthèse " calme » car le noyau de fer ( Z = 26 , A = 56 ) est le plus stable de tous les noyaux aucune réaction nucléaire exothermique (fusion ou fission) à partir du fer la gravitation l'emporte (car Me > 8 Ms)effondrement du coeur = SUPERNOVA ( SN II ) 500 000 200 1 0,5 1 jourdurée (années)
100.106 800.106 1,5.109 2,5.109 3,2.109
température ( K ) tous leséléments
jusqu'au FER23NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE " EXPLOSIVE »
A la fin de la nucléosynthèse " calme » : effondrement brutal du coeur de Fer (en qq s ) énergie colossale (de gravitation) . T atteint des dizaines de milliards de K rayonnement γ intense qui va fournir au fer l'énergie nécessaire pour réagir Sort du coeur de l'étoile : détruit par photodégradation (rayons γ ) :2656Fe + 26-1
0e- + 560
1n + υ
Tout le noyau de fer est transformé en neutrons , par capture de26 e- par les 26 p 26 n ( + 30 n de départ = 56 n)
24NUCLÉOSYNTHÈSE " EXPLOSIVE » ( suite )
A partir d'étoiles massives ( c'est le cas : Me > 8 Ms ) , la masse du noyau est > 1,4 Ms la " masse de Chandrasekhar » = valeur minimale pourquotesdbs_dbs42.pdfusesText_42[PDF] menu du 19 siecle
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