Un rôle inattendu pour l’oxygène dans la nucléosynthèse

La brique élémentaire du monde est l'atome. Tout ce qui nous entoure, et nous même, sommes formés d'atomes. Mais comment sont-ils apparus ? A cette question la science propose actuellement une réponse en trois phases.

La nucléosynthèse actuellement

Dans la première de ces phases les atomes légers comme l'hydrogène, une partie de l'hélium et une partie du lithium (pour faire simple) se seraient formés au moment du big-bang, événement marquant la naissance de notre univers.

Dans la seconde phase sont apparues les étoiles, formées de ces atomes légers et au sein desquelles ils peuvent fusionner pour obtenir des atomes plus lourds (pour faire simple), d'une masse allant de 9 unités de masse, le béryllium, jusqu'au fer pesant 56 unités.

En fait une étoile est un système où deux forces principales et antagonistes sont en jeu : l'attraction gravitationnelle et la fusion exothermique des atomes. La gravitation pousse l'étoile à se contracter sur elle même, mais plus elle se contracte et plus elle allume des réactions de fusion nucléaire qui produisent une force opposée à la gravitation, la pression de radiation, qui tend à disperser l'étoile. Ces deux forces s'équilibrent pour former un objet sphérique.

Mais pour entretenir la fusion, il faut qu'il y ait des atomes à fusionner, du carburant en quelque sorte. Si ce carburant vient à manquer, alors la gravitation gagne sur la pression de radiation et l'étoile se contracte violemment, ses couches extérieures se précipitent vers le cœur sur lequel elles rebondissent en une gigantesque explosion. La matière fabriquée par l'étoile est alors dispersée dans le cosmos, jusqu'à servir, mélangée à de l'hydrogène, de matière première à une autre génération d'étoiles.

Mais une étoile est économe. Dans un premier temps son carburant est constitué d'atomes légers qui fusionnent en des atomes un peu plus lourds, qui serviront eux-même de carburant pour fabriquer des atomes encore plus lourds. On va ainsi progressivement du béryllium au fer, en passant par les atomes de taille moyenne, mais ensuite tout s'arrête, car le fer ne fusionne pas et ne peut donc plus servir de carburant. En effet la fusion du fer est endoénergétique, et pas exoénergétique, elle réclame de l'énergie au lieu d'en céder. Alors l'étoile implose, puis, sa matière rebondissant sur son cœur ultra dense, elle explose.

C'est alors qu'intervient la troisième phase. La matière est éjectée dans une débauche d'énergie incommensurable, une super nova, et cette énergie est tellement grande qu'elle permet la fusion du fer pour obtenir tous les atomes les plus lourd, du cobalt à l'uranium (pour faire simple). L'or, l'argent, le platine, l'uranium ou l'iode par exemple ne sont pas forgés dans les étoiles, mais dans la gigantesque explosion présidant à leur mort.

La science s'est bien sûr beaucoup intéressée à ce qui se passe au cœur des étoiles, c'est à dire à la seconde phase. Elle a déterminé que les atomes y sont formés (pour faire simple) lors d'un cycle appelé CNO, pour Carbone, Azote (Nitrogen en anglais), Oxygène. Tout cela est expliqué ici sur Wikipedia. Les réactions nucléaires qui y sont en jeu sont relativement complexes, faisant intervenir une foison de particules (alpha, beta, gamma, neutrinos, protons, électrons, …) et d'intermédiaires plus ou moins stables.

La nucléosynthèse à base d'oxygène

Il existe pourtant une propriété évidente du tableau périodique qui n'a jamais été prise en compte par la science nucléaire officielle, en effet cette dernière ne l'a jamais signalée : en additionnant les masses de l'oxygène et d'un atome de la seconde ligne du tableau périodique, on obtient la masse de l'atome correspondant de la troisième ligne, dans la même colonne. Même l'atome d'oxygène, de masse 16, additionné à lui même aboutit au soufre, de masse 32. J'en donne une image synthétique dans la figure 1, et le tableau 1 en donne la démonstration plus détaillée.

Figure 1 : en additionnant la masse de l'oxygène à la masse des atomes de la même ligne du tableau périodique, on obtient la masse de l'atome correspondant dans la troisième ligne. L'addition des numéros atomiques suit aussi la même règle.

Tableau 1 : Addition de la masse de l'oxygène avec la masse des atomes de la première et seconde ligne du tableau périodique (sauf H et Ne ; données provenant de la littérature¹). La masse calculée est très proche de la masse expérimentale de l'atome synthétisé. La différence de masse est est la masse calculée moins la masse expérimentale.

On remarque dans le tableau 1 que la différence de masse, sauf dans deux cas, est très faible, mais positive. Cette petite différence de masse correspond à l'énergie libérée lorsque les atomes fusionnent, et ceci à cause du fameux E=mc² d'Einstein. Cette différence de masse, multipliée par la vitesse de la lumière au carré, est égale à une énergie qui est émise lors de la réaction, ce qui permet à l'étoile de contrebalancer la force de gravitation qui tend à la faire imploser, et accessoirement qui lui permet de briller.

Il y a cependant deux cas particuliers dans le tableau 1. D'abord l'addition de l'oxygène au béryllium aboutissant au magnésium. Les références 3a et 3b proposent deux façons de concevoir cette fusion, aboutissant à deux isotopes différents du magnésium. Si le ₁₂Mg²⁵ est formé, on sait que cet isotope n'est pas le plus abondant, ne représentant que 10 % du magnésium naturel (voir tableau 2), il lui suffit cependant de perdre un neutron pour aboutir au ₁₂Mg²⁴ dont l'abondance est proche de 80 %. La réaction la plus probable est donc la référence 3b, suivie de la perte d'un neutron, car la différence de masse de la réaction 3a est trop grande pour s'accorder avec les différences de masse des autres réactions du tableau 1, l'étoile risquerait la surchauffe, voire l'explosion. Le proton libéré quant à lui peut servir à fabriquer de nouveaux isotopes d'atomes déjà présents dans le milieu intra stellaire.

L'autre exception concerne l'addition de l'oxygène avec l'azote aboutissant au phosphore. Dans ce cas 4 réactions sont possibles. La première (référence 6a), aboutissant à l'isotope ₁₅P³⁰, est peu probable car cet isotope est d'abondance quasi nulle (voir tableau2). La seconde (référence 6b) est elle aussi improbable car elle est très endoénergétique (différence de masse très négative), ainsi les atomes auraient besoin qu'on leur fournisse de l'énergie pour opérer une fusion complète, comme il advient pour la fusion du fer, et l'étoile risquerait de se refroidir fortement, voire d'imploser. Ne restent donc que les solution 6c et 6d qui semblent cohérentes.

Quoi qu'il en soit, le tableau 1 montre à l'évidence que l'oxygène joue un rôle central dans la nucléosynthèse car la plus grande partie des atomes sont concernés dans un accord expérimental parfait. De plus il faut remarquer que ce que je viens de décrire pour la masse des noyaux atomiques, c'est à dire la somme des masses de ses protons et de ses neutrons, est aussi valable pour le numéro atomique seul, c'est à dire le nombre de protons dans l'atome. Ainsi que l'on compte seulement les protons, ou qu'on y ajoute les neutrons, la règle de l'addition à l'oxygène est toujours vérifiée.

On peut bien sûr penser qu'une telle propriété, d'une simplicité déroutante, et constatée pour tant d'atomes, sur la masse et sur le numéro atomique, n'est pas une règle, et n'est que le fruit d'un hasard phénoménal, d'un artefact monumental, comme il n'en existe aucun autre exemple en science. Tout est possible au cerveau humain, n'en doutons pas, car la force du dogme officiel est grande. Mais le scientifique honnête et raisonnable verra dans le tableau 1 la preuve expérimentale qu'il est sans doute nécessaire de revoir nos théories actuelles sur la nucléosynthèse. Je ferai d'ailleurs noter au lecteur que, comme dans mes articles scientifiques précédents, je ne propose ici aucune théorie, aucun postulat, aucune hypothèse, aucun « si … alors », me bornant à une constatation expérimentale. Ce n'est pas le cas du cycle CNO qui est presque uniquement théorique et rempli d'hypothèses, aussi sensées et cohérentes peuvent-elle paraître par ailleurs.

Pour ma part je ne saurais dire pourquoi l'oxygène tient un tel rôle central dans la nucléosynthèse. J'ai bien ma petite idée, et c'est même cette idée là qui m'a fait découvrir cette propriété particulière du tableau périodique, mais comme je vous l'ai dit, je ne veux pas proposer d'hypothèse ni de théorie. Je me borne à vous faire connaître ici une propriété réelle et mesurable des atomes, propriété qui n'a jamais été signalée auparavant, et qui devrait a minima interpeller les physiciens nucléaires. En effet, ces derniers peuvent-ils prétendre connaître la structure de l'atome s'il ignore cette règle de l'addition d'oxygène ? Il ne serait pas raisonnable de le penser.

Tableau 2 : Abondances naturelles de quelques isotopes (selon la littérature¹)

Référence

1 - Handbook of Chemistry and Physics, 1st student edition, CRC Press, Boca Raton, Florida, 1988