De nouvelles recherches suggèrent que la fission cosmique pourrait avoir joué un rôle dans la création d'éléments lourds. L'analyse d'étoiles anciennes montre une corrélation entre les noyaux de métaux légers et de terres rares, suggérant la création de noyaux super-lourds au-delà du tableau périodique des éléments connu. Cette découverte confirme la théorie de la fission cosmique et montre l'existence d'éléments d'une masse atomique de 260, élargissant ainsi notre compréhension de l'univers.
Les modèles de fission ont découvert des empreintes digitales claires de processus nucléaires qui n'avaient jamais été directement observés dans les étoiles auparavant.
On pense que les éléments situés au-dessus du fer dans le tableau périodique ont été créés lors du Big Bang, comme la fusion de deux étoiles à neutrons ou dans une supernova rare. De nouvelles recherches suggèrent que la fission pourrait être le processus par lequel des éléments lourds sont créés dans l'univers. Les chercheurs ont passé au peigne fin les données sur divers éléments présents dans les étoiles très anciennes et ont découvert des signatures potentielles de fission, suggérant que la nature produit probablement des noyaux super-lourds au-delà des éléments les plus lourds du tableau périodique.
"Les gens ont toujours pensé que la fission se produisait dans l'univers, mais jusqu'à présent, personne n'a pu le prouver", a déclaré Matthew Mumpower, physicien théoricien au Laboratoire national de Los Alamos et co-auteur d'un article décrivant la recherche dans Science.
Mumpower a déclaré que les chercheurs ont utilisé les dernières observations pour trouver un lien entre des métaux légers de précision tels que l'argent et les noyaux d'atomes de terres rares tels que l'europium. Lorsqu’un ensemble d’éléments augmente, l’élément correspondant dans l’autre ensemble augmente également – la corrélation est positive.
Des preuves « incroyables » de fission
"La seule possibilité que cela se produise dans différentes étoiles est s'il existe un processus cohérent dans la formation d'éléments lourds", a déclaré Mumpower. "L'équipe a testé toutes les possibilités, et la fission était la seule explication qui pouvait reproduire cette tendance. C'est incroyablement profond et c'est la première preuve d'une fission opérant dans l'univers, confirmant une théorie que nous avions proposée il y a plusieurs années. À mesure que nous obtenons davantage de données d'observation, l'univers dit, hé, il y a une signature ici, et elle ne peut provenir que de la fission."
Les recherches suggèrent également qu'il pourrait exister des éléments ayant une masse atomique (nombre de protons plus nombre de neutrons) de 260, ce qui serait plus lourd que les éléments situés à l'extrémité supérieure du tableau périodique.
Mumpower a développé le modèle de fission utilisé pour prédire et guider les résultats d'observation, dirigé par l'auteur de l'étude Ian Roederer de la North Carolina State University.
Les astrophysiciens croient depuis longtemps que des éléments lourds autres que le fer se forment lorsque des étoiles explosent dans ce qu'on appelle des supernovae, ou lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent. Comme son nom l’indique, cette dernière est principalement constituée de neutrons qui, avec les protons, constituent les noyaux de tous les atomes. Grâce à un processus rapide de capture de neutrons appelé « processus r », les noyaux atomiques capturent les neutrons pour former des éléments plus lourds. La question de savoir si certains atomes deviennent trop lourds pour rester ensemble et se diviser, ou bien une fission, formant deux atomes d'un élément plus léger mais toujours lourd (et libérant d'énormes quantités d'énergie), est un mystère depuis un demi-siècle.
Dans un article de 2020, Mumpower a prédit pour la première fois la distribution des fragments de fission des noyaux du processus r. Par la suite, une étude menée par Nicole Vassh, collaboratrice de TRIUMF, a prédit la coproduction de métaux légers de précision et de noyaux de terres rares. La coproduction d'éléments tels que le ruthénium, le rhodium, le palladium et l'argent, ainsi que d'éléments tels que l'europium, le gadolinium, le dysprosium et l'holmium, peut être testée en comparant les prédictions aux abondances élémentaires dans les ensembles stellaires.
La nouvelle analyse, dirigée par Roederer, a passé au peigne fin les données d'observation de 42 étoiles et a trouvé exactement la corrélation prévue. Ce modèle fournit une signature distincte de la production de fission de ces éléments, ainsi que des modèles similaires pour les éléments légèrement plus lourds et plus hauts du tableau périodique.
"Dans les étoiles améliorées par le processus r pour lesquelles nous disposons de suffisamment de données, cette corrélation est très forte. Chaque fois que la nature produit un atome d'argent, elle produit également des noyaux de terres rares proportionnellement plus lourds. Les compositions de ces groupes d'éléments sont synchronisées", a déclaré Mumpower. "Nous avons montré qu'un seul mécanisme en est responsable : la fission, et les gens luttent contre ce problème depuis les années 1950."
De la « Gestion des stocks » au « Ciel étoilé »
"À Los Alamos, nous avons développé des modèles de fission nucléaire parce que nous ne pouvions pas mesurer tout ce qui était pertinent pour la recherche sur les armes dans le cadre de la mission du laboratoire", a déclaré Mumpower. "Ces modèles permettent aux physiciens d'expliquer les expériences et de compléter les données lorsque les mesures font défaut. Les données expérimentales sur la fission sont limitées depuis que les États-Unis ont arrêté de tester des armes nucléaires en 1992. Les modèles fonctionnent très bien par rapport aux données mesurées, donc en l'absence de mesures, les extrapolations du modèle sont crédibles compte tenu des données. L'étude de la formation d'éléments lourds nécessite l'apport nucléaire d'espèces à vie courte et longue. Les rendements de fission sont le produit d'un processus qui divise des atomes relativement lourds en des atomes plus légers – le même processus utilisé dans les armes nucléaires et les réacteurs. »