L'énergie des étoiles

Les étoiles émettent sans cesse une énergie qui semble quasi infinie ! 
Elles ne "consomment" pas d’énergie comme un feu ou comme une pile, mais elles la produisent ! 

D’où tirent-elles une telle quantité d’énergie ? Tout "simplement" de leur masse !
Elles convertissent la masse en énergie !

Tout "simplement" ... certes , mais de manière plutôt renversante quand on admet que le monde est divisé en deux parties séparées et opposées : la matière et l’énergie !

Et c'est un "tout petit Proton" qui est à la base de toutes les réactions thermonucléaires d'une étoile !
 

Transformer un proton en  neutron et amener deux protons à fusionner sont des processus presque totalement improbables , pourtant , ils sont à l'origine des transformations nucléaires qui se produisent sans cesse au sein d'une étoile !

Un autre point tout aussi renversant : le mécanisme complexe de cette production, qui comprend un grand nombre de réactions physiques en chaîne, est piloté spontanément par les lois de la matière, lois qui mènent à la formation de toutes les sortes d’atomes et de tous les éléments chimiques.

C’est la fusion nucléaire qui est la réaction physique, fondement de l’énergie entraînant l’émission de rayonnement par le soleil et les étoiles.
La fusion signifie que deux noyaux atomiques s’unissent pour former un seul noyau ! 
Cette réaction ne peut pas se dérouler dans les conditions normales de la matière mais seulement au cœur des étoiles, dans des conditions de température et de pression extraordinairement élevées . 
L’état qui permet cette réaction est appelé "plasma".
C’est cette fusion nucléaire qui permet également à l’hydrogène des étoiles de se transformer successivement en hélium, en béryllium, en lithium et en divers autres noyaux atomiques, tout en émettant du rayonnement alpha et gamma.

En fusionnant, les noyaux atomiques transforment une partie de leur masse inerte en énergie rayonnée selon la formule bien connue E = mc² où E est l’énergie rayonnée, m la masse transformée et c² la vitesse de la lumière au carré.

En effet, le noyau formé de l’union de deux noyaux atomiques est d’une masse inférieure à la somme des deux noyaux. La masse perdue a été transformée en énergie ! 

Et on va voir que tous les mécanismes de la matière, qui obéissent aux lois de la physique, sont tout aussi renversants pour le bons sens.
Et le premier point renversant est qu’un noyau obtenu par addition de deux noyaux soit plus léger que la somme des deux noyaux… Mais c’est loin d’être le seul.

Pour s’en tenir au seul processus par lequel quatre noyaux d’hydrogène (protons) fusionnent pour donner un noyau d’hélium, la première réaction de la chaîne sans laquelle toutes les autres ne pourraient pas s’actionner, on peut faire le constat suivant : un proton a une masse atomique de 1,008, et un noyau d’hélium une masse de 4,004 (toujours en unités atomiques de masse) ; or, si l’on pose 1,008 X 4, il vient 4,032.

Le noyau d’hélium a donc une masse inférieure à celle des "ingrédients" qui servent à le construire ! 
On peut dès lors, en conclure que le défaut de masse constaté (4,032 - 4,004 = 0,028 u.a - Une unité de masse atomique vaut environ 931,5 MeV/c²) correspond bien à la fraction de masse convertie en énergie, et dont l’équation d’Einstein permet de calculer la valeur.
On retrouve bien ici une "conservation".
Ce n’est pas celle de la masse , ce n’est pas non plus celle de l’énergie , mais c’est celle de l’ensemble "masse-énergie".
La masse n’est qu’une des manières d’exprimer l’énergie de l’univers. Le rayonnement est lui-même matière, une matière particulière : sans masse au repos !
 

La chaîne de réactions nucléaires PP (proton-proton)

Le processus essentiel qui donne son énergie aux étoiles est celui par lequel quatre protons donnent de l’hélium mais ce processus ne peut se faire d’un seul coup car faire se rencontrer quatre protons en une seule fois est quasiment impossible ! Et même pour faire se rencontrer deux protons, il faut bien des hasards et des conditions bien particulières pour que la probabilité ne soit pas proche de zéro car deux protons se repoussent par leurs charges positives !

L’étoile est une manifestation éclatante de l’unité des contraires : "masse inerte" et "énergie".

La masse est gravitationnelle , donc elle concentre. L’énergie est rayonnante , donc elle est expansive.
Masse et énergie s’opposent et se composent en un lien dialectique.
Malgré leur opposition de propriétés, matière et énergie se transforment l’un dans l’autre et dans les deux sens.

Et ce n’est pas la seule contradiction dialectique que dévoile le mécanisme des étoiles. Il y a aussi l’opposition entre neutron et proton.
L’opposition diamétrale ne devrait pas permettre la transformation de proton en neutron. Et pourtant…
Pourtant elle est indispensable au lancement de la chaîne des réactions de fusion.
Il faut absolument qu’un proton se transforme en neutron avant de s’unir à un autre proton pour former un noyau de deutérium.

Comme on le voit les étoiles nous éclairent … sur les modes de fonctionnement de l’univers et sur leurs mécanismes dialectiques !

Si les étoiles peuvent réaliser leur alchimie, et il s’agit bien de cela puisqu’il y a transmutation des éléments chimiques à partir de l’hydrogène, c’est parce que la matière n’est pas figée dans des éléments chimiques séparés et opposés mais dans des structures provisoires capables de passer de l’une à l’autre.
Mieux, les noyaux des atomes ne sont pas les seuls à être sans cesse changeants : les particules qu’on croyait immuables sont également en changement perpétuel. Même la plus stable d’entre elles : le proton.

C’est justement la mutation du proton qui est le fondement des réactions en chaîne des étoiles puisque sans la mutation d’un proton en neutron, il est impossible d’avoir une fusion entre un proton et un neutron qui donne le Deutérium et lance les réactions nucléaires en chaîne des étoiles.

Or neutron et proton pouvaient sembler deux particules différentes et, en un certain sens, opposées mais symétriques.
Donc le proton peut se changer en son contraire !

Et ce n’est pas tout : les changements possibles sont multiples. Il y en a de plus probables que d’autres mais il n’y a  qu'une seule réaction possible.

C’est le produit d’une matière qui n’est pas dans un état unique mais dans une superposition d’états potentiels qui ont des probabilités diverses.
Le proton, même seul, n’est pas un seul état mais une superposition d’états avec des probabilités diverses.
Et, son état actuel saute d’un état potentiel à un autre. Il est donc sans cesse différent tout en restant le même proton, avec les mêmes propriétés, avec les mêmes valeurs caractéristiques !

Plusieurs histoires possibles mais pas n’importe lesquelles ni avec n’importe quelles probabilités !

La matière est sans cesse changeante, sans cesse agitée mais elle ne cesse jamais d’obéir aux lois de la physique.
Ce sont ces lois qui doivent être formulées d’une manière particulière, tenant compte de ce changement par des sauts, de ces transformations qui ne s’arrêtent pas…

La matière n’existe jamais sans agitation, sans transformations, sans interactions, sans énergie et l’énergie n’existe jamais sans une certaine forme de matière, fût-ce les particules d’interactions, fût-ce la matière virtuelle du vide.
Les contraires se comportent de manière dialectique et non diamétrale.

Le commun des êtres humains ignore que l’étoile est dialectique tout autant que le proton lui-même.
La plupart des gens raisonnent à partir de la philosophie du bon sens : le vide n’est pas matière et la matière n’est pas vide. La matière n’est pas la lumière et la lumière n’est pas la matière. Un proton n’est pas un neutron, etc...

Le bon sens affirme que les masses s’additionnent, que la matière ne se perd pas, qu’elle ne disparaît jamais, que l’énergie ne disparaît jamais…

L’étoile prouve exactement le contraire. Le point de vue du bon sens sur l’étoile est de penser qu’elle ne fait que consommer de l’énergie en brûlant de la matière !
Mais, si les étoiles étaient fondées sur une telle énergie chimique, elles seraient éteintes en moins de temps qu’il en faut pour le dire !
 

Nous allons maintenant entrer dans une description plus détaillée des processus  qui peut paraître un peu technique !
Mais elle aura le mérite de montrer à quel point les transformations spontanées de la matière sont multiples et variées !

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- Le démarrage des réactions -

A l’origine de l’étoile, il y a une matière constituée essentiellement d’hydrogène et une concentration de matière si importante que les chocs produisent une élévation de température dépassant les 15 millions de degrés.
A cette température, l’énergie cinétique des atomes est telle que la collision des atomes d’hydrogène les amène à perdre leurs électrons.
Cette énergie devient telle que les atomes d’hydrogène, devenus de simples protons depuis qu’on leur a enlevé leur électron, deviennent capables de se heurter malgré leur force de répulsion électrostatique (ils sont tous positifs).
Une réaction de fusion entre deux protons devient possible malgré cette répulsion, bien que cette fusion soit très peu probable.

La réaction de fusion des protons est la suivante :

(1) Proton + proton = deutérium + positron + neutrino

Le noyau de deutérium formé contient un proton plus un neutron.

Il a donc fallu transformer un proton en neutron !

La fusion de deux protons est la moins probable des réactions de la chaîne de réactions qui fonde l’énergie stellaire.
Sa faible probabilité détermine le peu de cas de fusion et la lenteur relative de transformation de la masse des étoiles en énergie.
 

La deuxième étape de la chaîne est une autre fusion :

(2) Deutérium + proton donne un isotope de l’hélium appelé hélium trois (composé de deux protons et d’un neutron) + un photon gamma.

La réaction la plus probable avec de l’hélium trois est la suivante :

(3) Hélium 3 + hélium 3 donne hélium 4 (le noyau de l’atome stable d’hélium)  + deux protons.

La somme de ces trois différentes réactions est la suivante :

(4) Proton + proton + proton + proton donne un "hélium 4" + deux antiélectrons (positrons)  + deux neutrinos + deux photons gamma.

Dans le Soleil, par exemple, cette réaction se produit cent milliards de milliards de milliards de milliards de fois par seconde, et elle émet une énergie considérable qui nous éclaire et nous réchauffe !

Le soleil perd ainsi 4,5 millions de tonnes de "matière" par seconde qui sont transformés en énergie !

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- Les chaînes de réactions - 

L’hydrogène est le carburant majeur des étoiles et sa fusion est le premier maillon de la chaîne de "nucléosynthèse".
Il y a deux manières de transformer l’hydrogène en hélium :

1.)  le cycle proton-proton permet de transformer de l’hydrogène en "4He".
Ce cycle est divisé en plusieurs réactions.
La première réaction de ce cycle permet la transformation d’un proton et d’un neutron en deutérium.
Le cycle démarre à partir d’un double processus de fusion entre protons ou atomes d’hydrogène-1 (H).
Former un noyau dans ces conditions n’est possible que si l’un des noyau se transforme en neutron par l’expulsion de sa charge positive , ce qui se produit grâce à l’émission d’un anti-électron ou positon et d’un neutrino.
Le noyau ainsi formé est du deutérium (isotope lourd de l’hydrogène ou hydrogène-2).
En absorbant un proton, ce noyau forme un noyau d’hélium-3 (He).
Ce processus donnant lieu à un dégagement d’énergie sous la forme d’un photon gamma.

Les moins massives des étoiles ne vont généralement pas plus loin  , mais dans les étoiles de masse intermédiaire, on assiste encore à la fusion des noyaux d’hélium-3 apparus au terme de séquences parallèles.
La fusion forme un noyau d’hélium-4, et libère deux protons disponibles pour de nouvelles rencontres.
Ensuite, selon ce qui est disponible au cœur de l’étoile (selon le moment de son évolution auquel se produit cette réaction), par l’intermédiaire du tritium ou de l’hélium 3 avec lesquels les atomes de deutérium vont fusionner, l’étoile va fabriquer de l’hélium 4 .

2.) le cycle CNO (Carbone-Azote-Oxygène) qui se produit à plus haute température .
Les atomes qui vont fusionner lors de ce cycle ont des masses atomiques beaucoup plus élevées que l’hydrogène.
Une autre condition pour que ce cycle puisse participer à la synthèse d’éléments, c’est que les éléments carbone, oxygène et azote soient présents dans le cœur de l’étoile.
Cette fusion s’effectue à des températures plus élevées que le cycle proton-proton.
Ainsi, cette fusion ne peut avoir lieu que dans la partie la plus chaude c’est-à-dire la partie la plus centrale du noyau.
C’est pour cela que cette fusion ne fournit que 10 % de l’énergie du soleil.

Globalement, la réaction de fusion de l’hydrogène peut s’écrire de la manière suivante :

Quatre protons donnent un Hélium 4 + deux positrons (antiélectrons) + deux neutrinos + de l’énergie.

La première étape implique la fusion de deux noyaux d’hydrogène 1H, ou protons en deutérium 2H avec émission d’un positron, l’un des protons étant changé en neutron, et d’un neutrino.

Surmonter la répulsion électrostatique entre les deux noyaux d’hydrogène exige une grande quantité d’énergie cinétique de la part des noyaux initiaux, et de plus il faut qu’il y ait une interaction faible durant l’instant du contact entre les 2 protons, transformant l’un d’eux en neutron, sinon ils se séparent.

1H + 1H → 2H + e+ + νe + 0,42 MeV ( Méga électron-volts )

Le positron s’annihile immédiatement avec l’un des électrons d’un atome d’hydrogène et leur masse-énergie est évacuée sous forme de deux photons gamma.

e+ + e- → 2γ + 1,02 MeV
Après ceci, le deutérium produit lors de la première étape peut fusionner avec un nouveau noyau d’hydrogène pour produire un isotope de l’hélium 3He : 2H + 1H → 3He + γ + 5,49 MeV
Finalement, après des millions d’années, deux noyaux d’hélium 3He peuvent fusionner et produire l’isotope normal de l’hélium 4He ainsi que deux noyaux d’hydrogène qui peuvent commencer à nouveau la réaction de trois façons différentes appelées PP1, PP2 et PP3 :
 

PP1 :

3He +3He → 4He + 1H + 1H + 12,86 MeV
La réaction totale PP1 produit une quantité nette d’énergie de 26,7 MeV.
La chaîne PP1 est dominante a des températures de 10-14 millions de kelvins.
En dessous de 10 millions de kelvin, la chaîne PP ne produit pas beaucoup de 4He.
 

PP2 :

3He + 4He→7Be + γ 7Be + e-→7Li + νe 7Li + 1H→4He + 4He

La chaîne PP2 est dominante à des températures de l’ordre 14-23 millions de kelvins.
 

PP3 :

3He + 4He→7Be + γ 7Be + 1H→8B + γ 8B→8Be + e+ + νe 8Be→4He + 4He
La chaîne PP3 est dominante si la température excède 23 millions de kelvins.
Cette chaîne n’est pas la source principale d’énergie dans le Soleil, mais elle est très importante pour le problème des neutrinos solaires car elle génère les neutrinos les plus énergétiques.
En général, la fusion proton-proton ne peut avoir lieu que si la température (l’énergie cinétique) des protons est assez élevée pour pouvoir surmonter leur répulsion coulombienne mutuelles.(en référence à la loi de "Coulomb"sur l'électrostatique) 

La théorie selon laquelle les réactions de la chaîne proton-proton sont le principe de base de production d’énergie des étoiles fut avancée par "Jean Perrin" dans les années 1920.

À cette époque, la température du Soleil était considérée comme trop faible pour surmonter la barrière coulombienne ; mais après le développement de la mécanique quantique, on découvrit que l’effet tunnel permettait aux protons de franchir cette barrière à une température plus basse que celle prédite par la mécanique classique !

Deux autres réactions permettent la transformation d’hélium en éléments plus lourds :

1) Fusion de deux noyaux d’Hélium 4 donne un noyau de Béryllium plus du rayonnement gamma

2) Bérylium fusionne avec hélium 4 pour donner du Carbone et du rayonnement gamma

La réaction n° 2  a posé un problème à première vue insoluble.
En effet on trouve une grande quantité de carbone 12C dans l’Univers.
Mais des calculs théoriques ont montré que le béryllium 8Be avait une demi-vie de l’ordre de 10-16 secondes.
Cela signifie qu’il est hautement improbable que l’on puisse fabriquer du 12C en quantités importantes à partir du 8Be.

Pour tenter de résoudre ce problème, "Fred Hoyle" avait suggéré que la réaction entre le 4He et le 8Be devait être en résonance avec un niveau d’énergie inconnu du 12C.
Si ce niveau résonnant existe, alors, la section efficace de la réaction n° 2 sera considérablement augmentée, la rendant par là même possible !

Quelques années après cette prédiction, des mesures en laboratoire ont montré qu’effectivement, cet état excité existait ! 
Ce carbone disponible va pouvoir réagir lui aussi avec les atomes d’hélium présents selon la réaction suivante :
Carbone fusionne avec Hélium pour donner Oxygène plus rayonnement gamma

À la fin de la phase de fusion de l’hélium, le cœur de l’étoile est donc composé majoritairement de carbone 12C et d’oxygène 16O.
Comme pour la fin de la fusion de l’hydrogène, ce qui se passe ensuite ne dépend que de la masse de l’étoile.
Si celle-ci est suffisante, alors le cœur de l’étoile peut se contracter de nouveau.
La température et la densité peuvent elles aussi augmenter, et atteindre des valeurs qui permettent successivement les fusions du carbone et du néon.

La fusion du carbone s’amorce quand la température au cœur de l’étoile dépasse le milliard de kelvins.
Trois réactions principales se produisent, pouvant former du sodium, du néon ou du magnésium 23 :

1. Carbone + Carbone =  Sodium + un proton

2. Carbone + Carbone =  Néon + une particule alpha

3. Carbone + Carbone = Magnésium + un neutron

Si la température du cœur de l’étoile reste proche du milliard de degré, les deux premières réactions sont favorisées.
Si au contraire, elle s’élève au-dessus de 1,1×10⁹  Kelvins alors, c’est la 3e réaction qui est prédominante.
Et de même quand le carbone vient à manquer, le cœur se contracte et la température s’élève.

Lorsque celle-ci dépasse 1,2×10⁹, les atomes de néon ont suffisamment d’énergie pour que leur fusion ait lieu.
Deux réactions principales ont lieu qui peuvent produire de l’oxygène ou du magnésium 24 :

1.) Néon + rayonnement gamma = Oxygène + particule alpha

2.) Néon + particule alpha = Magnésium + rayonnement gamma

La combustion du carbone et du néon produit aussi des neutrons par les réactions suivantes :

1.) Carbone + Hélium 4 = Oxygène + un neutron

2.) Néon + Hélium 4 = Magnésium + un neutron

Lors du processus "S" (nucléosynthèse de neutrons par des noyaux atomiques pour produire des éléments lourds à partir d'éléments légers) , les neutrons produits par ces réactions sont absorbés par des noyaux qui augmentent ainsi leur nombre de nucléons.
Dans ces noyaux les neutrons excédentaires se transforment en protons en émettant un électron et un neutrino.
Le processus S peut produire les noyaux jusqu’au bismuth 209.

La phase suivante fait intervenir cette fois les atomes d’oxygène.

La dernière contraction du cœur de l’étoile a conduit celui-ci à atteindre une température de plus de 2 milliards de kelvins.

À cette température, les atomes d’oxygène fusionnent, et cinq principales réactions ont lieu :

1. Deux Oxygènes fusionnent pour donner un Silicium plus une particule alpha plus 9,594 MeV

2. Deux Oxygènes fusionnent pour donner un Phosphore plus un proton plus 7,678 MeV

3. Deux Oxygènes fusionnent pour donner un Soufre plus un neutron plus 1,500 MeV

4. Deux Oxygènes fusionnent pour donner un Silicium plus deux protons plus 0,381 MeV

5. Deux Oxygènes fusionnent pour donner un Phosphore plus du Deutérium plus 2,409 MeV

Alternativement :

1. Deux Oxygènes fusionnent pour donner un Soufre et un rayonnement gamma

2. Deux Oxygènes fusionnent pour donner un Magnésium plus deux particules alpha

Les particules alpha, les neutrons et les protons libérés lors de ces réactions ont suffisamment d’énergie pour participer à la synthèse d’autres éléments.

On va donc voir apparaître lors de cette phase un grand nombre d’éléments, tels que le chlore, l’argon, le potassium, le calcium, le titane, etc.

Une fois l’oxygène épuisé, se termine la dernière phase de fusion d’éléments au cœur de l’étoile : la fusion du silicium. Nous sommes là dans les tout derniers moments de la vie d’une étoile. Elle  n’a plus que quelques heures à vivre.

Le cœur s’est à nouveau contracté, et cette fois-ci, la température atteint près de 3 milliards de kelvins.
Les atomes de silicium sont brisés par les photons gamma présents, et libèrent des neutrons, des protons et des particules alpha qui vont interagir avec les atomes de "28Si" (isotope le plus stable et le plus lourd du Silicium) présents pour former tous les éléments jusqu’au fer.

Lorsque la quantité de fer est trop importante dans le cœur, et la quantité de silicium trop faible pour soutenir la pression de radiation produite par la fusion, l’étoile est à la toute fin de sa vie.

La fusion du fer est endothermique, ce qui signifie que la fusion du fer va prendre de l’énergie au milieu, et non pas en fournir.
Très vite (quelques secondes selon la masse de l’étoile), la gravitation va l’emporter, et le cœur va s’effondrer sur lui-même.
La production d’énergie chute brutalement, et l’étoile n’est plus soutenue par la pression de radiation.
Toute l’étoile s’effondre alors sur elle-même en implosant.
La densité du cœur augmente, jusqu’à atteindre la densité des noyaux atomiques.
Dès lors, elle ne peut plus augmenter !
La matière qui arrive sur ce cœur lui rebondit dessus.
Une onde de choc balaie alors l’étoile, du centre vers les couches externes et rallume la fusion dans ces mêmes couches.

C’est lors de cette explosion que tous les éléments plus lourds que le fer sont synthétisés selon deux processus, le processus "R" (addition rapide de neutrons) et le processus "RP" (addition rapide de protons).
L’énergie cinétique de la périphérie du noyau effondré s’accroît brutalement, de façon désordonnée autour du noyau central ce qui conduit à de très nombreuses collisions produisant une quantité colossale d’énergie, l’étoile devient "supernova" qui va éjecter violemment dans l’espace, sous l’effet de l’onde de choc, les éléments lourds que l’étoile a synthétisé !

Durant cet effondrement, de nombreuses autres réactions de fusion et de fission partielle vont se produire et former les isotopes les plus lourds (comme le plomb, l’or, le platine, l’uranium, etc.) immédiatement avant d’être propulsés hors de l’étoile sous l’effet de l’onde de choc centrifuge.

La masse totale de l’étoile joue un rôle critique dans la nature des éléments formés, à cause de la quantité de neutrons nécessaire à ces fusions et produits par les désintégrations secondaires.

C'est pour toutes ces raisons qu'il est extrêmement difficile de reproduire le processus en laboratoire !

Fabriquer de l'énergie pour la consommation humaine à partir du procédé de "fusion" d'atomes équivaut à tenter de "mettre une étoile en bouteille" !

Mais , le projet "ITER" avance ...

Philippe Clément-Béal .