Forges des élémentsoù l'or et le fer ont été fabriqués
Quels éléments viennent du Big Bang, des étoiles, des supernovae et des fusions d'étoiles à neutrons ? Cette page indique l'origine de chaque élément selon sa forge, avec les recherches clés.
L'or ne s'est pas formé sur Terre, et le fer non plus. Le tableau des éléments du jeu les range en huit sortes d'origine, les huit « forges » : le Big Bang, les rayons cosmiques, les étoiles de faible masse, les étoiles massives, les explosions de naines blanches, les fusions d'étoiles à neutrons, la désintégration radioactive et la synthèse artificielle. Cette page liste quels éléments chaque forge a fabriqués, puis présente quelques études clés derrière ce classement.
Les huit forges
| Forge | Nombre d'éléments | Principaux exemples |
|---|---|---|
| Nucléosynthèse du Big Bang | 3 | Hydrogène, hélium, lithium |
| Spallation par rayons cosmiques | 2 | Béryllium, bore |
| Étoiles de faible masse (processus de capture lente de neutrons) | 24 | Carbone, azote, fluor, rubidium, strontium, yttrium, zirconium, niobium, molybdène, cadmium, indium, étain |
| Étoiles massives (supernovae à effondrement de cœur) | 22 | Oxygène, néon, sodium, magnésium, aluminium, silicium, phosphore, soufre, chlore, argon, potassium, calcium |
| Explosions de naines blanches (supernovae de type Ia) | 6 | Vanadium, chrome, manganèse, fer, cobalt, nickel |
| Fusions d'étoiles à neutrons (processus de capture rapide de neutrons) | 26 | Ruthénium, rhodium, palladium, argent, antimoine, tellure, iode, xénon, césium, samarium, europium, gadolinium |
| Désintégration radioactive de l'uranium et du thorium | 7 | Polonium, astate, radon, francium, radium, actinium, protactinium |
| Synthèse artificielle | 28 | Technétium, prométhium, neptunium, plutonium, américium, curium, berkélium, californium, einsteinium, fermium, mendélévium, nobélium |
Dans ce tableau, la synthèse artificielle (28 éléments) et les fusions d'étoiles à neutrons (26) comptent le plus d'éléments, et la spallation par rayons cosmiques (2) le moins. « Vient surtout d'ici dans le tableau des éléments du jeu » veut dire que c'est le classement du jeu pour la source principale de chaque élément. Un élément peut avoir plus d'une source.
Comment lire le tableau
Le schéma du tableau est net. La longue suite oxygène, néon, sodium, magnésium, aluminium, silicium, phosphore, soufre, chlore, argon, potassium et calcium revient aux supernovae à effondrement de cœur des étoiles massives. Les six éléments vanadium, chrome, manganèse, fer, cobalt et nickel reviennent aux explosions de naines blanches. Du ruthénium, du rhodium, du palladium et de l'argent jusqu'à l'iode, au xénon, au césium, à l'europium et au gadolinium, la source est la fusion d'étoiles à neutrons. Le carbone, l'azote et le fluor reviennent aux étoiles de faible masse. Autrement dit, des éléments voisins dans le tableau périodique viennent souvent d'objets complètement différents. Le jeu utilise ce classement pour montrer que chaque élément du tableau périodique a un « lieu de naissance » précis, et que chacun se rattache à une étude présentée plus bas, des calculs du Big Bang à la source d'énergie des étoiles, jusqu'aux observations de fusions d'étoiles à neutrons.
Les trois plus légers : le Big Bang
Ralph Alpher et George Gamow ont été les premiers à calculer comment les éléments légers se sont formés lors du Big Bang. Le nom de Hans Bethe a été ajouté pour faire la blague « αβγ ». L'article s'intitule « The origin of chemical elements » (Alpher, Bethe et Gamow, Physical Review, 1948). L'hydrogène, l'hélium et le lithium sont les seuls membres de ce groupe.
Les fournaises à l'intérieur des étoiles
Comment le Soleil peut-il brûler pendant des milliards d'années ? Bethe a établi que les étoiles brillent grâce à la fusion nucléaire, ce qui a résolu l'énigme (Bethe, Physical Review, 1939). Pour que les étoiles fabriquent assez de carbone, Fred Hoyle a prédit que le carbone 12 devait avoir un niveau d'énergie particulier, ce que des expériences ont vite confirmé (Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement, 1954). Quelques années plus tard, un article de cent pages a expliqué de façon systématique comment les étoiles forgent pas à pas les éléments du tableau périodique : « nous sommes tous de la poussière d'étoile, à partir d'ici » (Burbidge, Burbidge, Fowler et Hoyle, Reviews of Modern Physics, 1957).
Explosions de naines blanches et fer
Le fer, le cobalt, le nickel et le reste du « groupe du fer » sont attribués surtout aux explosions de naines blanches dans le tableau. Les naines blanches ont une limite de masse d'environ 1,4 masse solaire ; au-delà, une étoile est condamnée à continuer de s'effondrer (Chandrasekhar, The Astrophysical Journal, 1931).
Fusions d'étoiles à neutrons : l'histoire de l'or
Pour la première fois, un même événement cosmique a été à la fois « entendu » et « vu » : la fusion de deux étoiles à neutrons (Abbott et al., Physical Review Letters, 2017). La matière éjectée par la fusion contient de grandes quantités d'éléments lourds, et l'or de votre bague vient très probablement d'une collision de ce genre (Kasen et al., Nature, 2017).
Radioactivité et synthèse artificielle
Les chaînes de désintégration de l'uranium et du thorium produisent sept éléments : le polonium, l'astate, le radon, le francium, le radium, l'actinium et le protactinium. La synthèse artificielle en fournit le plus : du technétium et du prométhium au neptunium, au plutonium et à l'américium, puis jusqu'à l'einsteinium, au fermium, au mendélévium et au nobélium. Un autre détail du jeu mérite d'être ajouté : l'einsteinium et le fermium ont tous deux été découverts dans les débris du premier essai de bombe à hydrogène.
Les originaux ? Cherchez ces titres
- Alpher et al. (1948) : « The origin of chemical elements »
- Bethe (1939) : « Energy production in stars »
- Hoyle (1954) : « On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel »
- Burbidge et al. (1957) : « Synthesis of the elements in stars »
- Chandrasekhar (1931) : « The maximum mass of ideal white dwarfs »
- Abbott et al. (2017) : « GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral »
- Kasen et al. (2017) : « Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event »
Base réelle
Nucléosynthèse primordiale : le tableau des éléments du jeu compte 3 éléments qui viennent principalement d'ici, dont l'hydrogène, l'hélium et le lithium.
Spallation par rayons cosmiques : le tableau des éléments du jeu compte 2 éléments qui viennent principalement d'ici, dont le béryllium et le bore.
Étoiles de faible masse (processus s) : le tableau des éléments du jeu compte 24 éléments qui viennent principalement d'ici, dont le carbone, l'azote, le fluor, le rubidium, le strontium, l'yttrium, le zirconium, le niobium, le molybdène, le cadmium, l'indium, l'étain et d'autres.
Étoiles massives (supernovae à effondrement de cœur) : le tableau des éléments du jeu compte 22 éléments qui viennent principalement d'ici, dont l'oxygène, le néon, le sodium, le magnésium, l'aluminium, le silicium, le phosphore, le soufre, le chlore, l'argon, le potassium, le calcium et d'autres.
Explosions de naines blanches (supernovae de type Ia) : le tableau des éléments du jeu compte 6 éléments qui viennent principalement d'ici, dont le vanadium, le chrome, le manganèse, le fer, le cobalt et le nickel.
Fusions d'étoiles à neutrons (processus r) : le tableau des éléments du jeu compte 26 éléments qui viennent principalement d'ici, dont le ruthénium, le rhodium, le palladium, l'argent, l'antimoine, le tellure, l'iode, le xénon, le césium, le samarium, l'europium, le gadolinium et d'autres.
Désintégration radioactive de l'uranium et du thorium : le tableau des éléments du jeu compte 7 éléments qui viennent principalement d'ici, dont le polonium, l'astate, le radon, le francium, le radium, l'actinium et le protactinium.
Synthétisés : le tableau des éléments du jeu compte 28 éléments qui viennent principalement d'ici, dont le technétium, le prométhium, le neptunium, le plutonium, l'américium, le curium, le berkélium, le californium, l'einsteinium, le fermium, le mendélévium, le nobélium et d'autres.
Recherches liées
Ces études sont liées au sujet mais ne prouvent pas directement le contenu de cette page.
L'article αβγ: Alpher et Gamow ont calculé comment les éléments légers se sont formés lors du Big Bang, et le nom de Bethe a été ajouté pour faire « αβγ ».
Source : Alpher, Bethe & Gamow, Physical Review 1948, "The origin of chemical elements"
Ce qui fait briller les étoiles: Bethe a calculé que les étoiles brillent par fusion nucléaire, résolvant l'énigme de la façon dont le Soleil peut brûler pendant des milliards d'années.
Source : Bethe, Physical Review 1939, "Energy production in stars"
La limite de Chandrasekhar: Une naine blanche a une masse maximale, environ 1,4 masse solaire. Au-delà, l'étoile est condamnée à s'effondrer.
Source : Chandrasekhar, The Astrophysical Journal 1931, "The maximum mass of ideal white dwarfs"
B²FH : cet article d'une centaine de pages a expliqué, étape par étape, comment les étoiles forgent les éléments du tableau périodique. Nous sommes tous de la poussière d'étoiles, et c'est ici que cette idée commence.
Source : Burbidge, Burbidge, Fowler & Hoyle, Reviews of Modern Physics 1957, "Synthesis of the elements in stars"
La prédiction de Hoyle: Pour que les étoiles fabriquent assez de carbone, Hoyle a prédit que le carbone 12 devait avoir un niveau d'énergie particulier, ce que des expériences ont confirmé.
Source : Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement 1954, "On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel"
Kilonova: La première fois qu'un même événement cosmique a été à la fois « entendu » et « vu » : la fusion de deux étoiles à neutrons.
Source : Abbott et al., Physical Review Letters 2017, "GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral"
D'où vient l'or: La matière éjectée par les fusions d'étoiles à neutrons contient de grandes quantités d'éléments lourds. L'or de ta bague vient probablement d'une telle collision.
Source : Kasen et al., Nature 2017, "Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event"