En menant des recherches expérimentales avec de la matière 10 millions de fois plus dense et 25 fois plus dense que celle trouvée au centre du soleil, les chercheurs ont déterminé la nature des processus nucléaires qui se produisent dans les étoiles de masse intermédiaire.
Notre compréhension de la mort des étoiles de masse faible et élevée est assez solide, mais les résultats de l'équipe pourraient changer notre façon de penser le sort des étoiles qui se situent entre les deux. Ils suggèrent que de telles étoiles ne peuvent pas s'effondrer, comme on le croyait précédemment, mais plutôt mettre fin à leur vie dans une explosion spectaculaire.
La façon dont une étoile évolue est largement dictée par sa masse, des étoiles de masse inférieure comme notre propre soleil laissant derrière une naine blanche – un résidu à noyau stellaire composé de matière électronique dégénérée – et les restes de masse élevée les étoiles marquées par une étoile à neutrons ou, si elles sont suffisamment massives, un trou noir. Les événements qui se produisent à la fin de la vie d'une étoile de masse intermédiaire sont cependant considérablement plus sombres. Une situation étrange, car des étoiles comme celle-ci avec une masse comprise entre 7 et 11 fois celle du soleil sont extrêmement courantes dans la Voie lactée – notre propre galaxie.
«Le sort final des étoiles de masse intermédiaire dépend d'un tout petit détail, à savoir la facilité avec laquelle l'isotope néon-20 capture les électrons dans le noyau stellaire», explique Le professeur Gabriel Martínez-Pinedo du département de recherche du GSI Theory et l'Institut für Kernphysik, TU Darmstadt. "Selon ce taux de capture d'électrons, l'étoile sera soit perturbée dans une explosion thermonucléaire, soit elle s'effondrera pour former une étoile à neutrons."
Ramener les étoiles sur terre
Ainsi, en étudiant ces isotopes dans les laboratoires nucléaires ici sur Terre – un terrain d'essai beaucoup plus paisible que l'intérieur d'une étoile – l'équipe a réalisé qu'elle pourrait faire la lumière sur les affres de ces étoiles. «Ce travail a commencé lorsque nous avons réalisé qu'une transition fortement supprimée, et donc précédemment ignorée et inconnue expérimentalement, entre les états fondamentaux du néon-20 et du fluor-20 était une information clé nécessaire pour déterminer le taux de capture d'électrons dans la masse intermédiaire. étoiles ", explique le professeur Karlheinz Langanke, directeur de recherche du GSI et du FAIR.
En étudiant le taux de désintégration du fluor-20 et en le combinant avec des calculs théoriques, l'équipe a pu déterminer une valeur pour le taux de capture d'électrons. La capture d'électrons est un processus dans lequel un électron est attiré dans un noyau atomique. Il en résulte la transformation d'un proton en neutron et en neutrino – ce dernier étant éjecté. Les éléments étant caractérisés par le nombre de protons dans leur noyau, le résultat final est la transformation d'un élément en un autre. Cela signifie généralement la transformation d'un isotope instable en un isotope plus stable.
Les mesures de l'équipe – prises au laboratoire de l'accélérateur de l'Université de Jyväskylä – ont révélé une forte transition entre les états fondamentaux du néon. 20 et fluor-20. Cela conduit à une capture d'électrons dans le néon-20 se produisant dans des densités beaucoup plus légères que les physiciens ne l'avaient cru auparavant. Pour les étoiles de masse intermédiaire, cela signifie que le processus est beaucoup plus susceptible de se produire et donc de conduire à une explosion thermonucléaire plutôt que de s'effondrer dans une étoile à neutrons.
«Il est étonnant de découvrir qu'un seul la transition peut avoir un impact si fort sur l'évolution d'un grand objet comme une étoile », remarque Dag Fahlin Strömberg, qui était responsable d'une grande partie des simulations du projet.
Les résultats de l'équipe ont des implications plus larges pour l'abondance et l'évolution de certains éléments chimiques dans la galaxie parce que les explosions thermonucléaires éjectent beaucoup plus de matière dans leur environnement que l'effondrement gravitationnel. Ce matériau éjecté est riche en titane-50, chrome-54 et fer-60, ce qui signifie que les rapports isotopiques inhabituels de titane et de chrome trouvés dans certaines météorites, et la découverte de fer-60 dans les sédiments des eaux profondes pourraient être produits par des intermédiaires -des étoiles massives. Si tel est le cas, cela signifie que les étoiles intermédiaires peuvent avoir explosé dans notre voisinage galactique à la fois dans son histoire relativement récente – les derniers millions d'années – et dans son passé lointain – il y a des milliards d'années.
Si les recherches de l'équipe étaient correctes, une explosion thermonucléaire semble le sort le plus probable des étoiles de masse intermédiaire. Il en résulterait une supernova de type Ia laissant derrière elle un type unique de naine blanche, connue sous le nom de naine blanche oxygène-néon-fer. Ainsi, la confirmation de la conclusion de l'équipe repose sur la détection de ces nains blancs. Leur étude ultérieure devrait ensuite donner un aperçu du mécanisme qui déclenche l'explosion.
En attendant ces développements, l'équipe n'a cependant pas l'intention de se reposer sur ses lauriers. Il reste à se demander quel rôle la convection au sein de l'étoile joue dans l'explosion à affronter. De plus, les accélérateurs nucléaires actuels et prévus ici sur Terre devraient étudier divers isotopes et leurs propriétés afin de mieux comprendre leurs rôles dans ces événements cosmiques.
Recherche originale: O. S. Kirsebom, S. Jones, D. F. Strömberg, et al, Discovery of an Exceptionally Strong β-Decay Transition of 20F and Implications for the Fate of Intermediate-Mass, Physical Review Letters, 2019 .
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