Mécanismes de réaction de fusion nucléaire dans les étoiles

La réaction en chaîne proton-proton (proton-proton chain reaction)

C’est la réaction de fusion nucléaire stellaire la plus connue du grand public. Le noyau du deutérium, appelé deutéron, est formé par la combinaison d’un proton (p) et d’un neutron (n). Par conséquent, pour que deux protons se combinent pour former un noyau de deutérium, l’un des deux protons doit se transformer en neutron. Comment un proton peut-il alors se transformer en neutron ?

• La ‘désintégration bêta’ est le processus par lequel un neutron ($n$) se transforme en proton ($p$) en émettant un électron ($e⁻$) et un antineutrino électronique ($\overline{\nu_e}$). L’équation de réaction s’écrit : $n \rightarrow p + e^{-} + \overline{\nu_e}$.
• Le processus par lequel un proton ($p$) se transforme en neutron ($n$) est l’inverse de la désintégration bêta. C’est pourquoi on l’appelle ‘désintégration bêta inverse’. À quoi ressemble alors l’équation de réaction de la désintégration bêta inverse ? Il n’y a rien de spécial dans l’équation de réaction nucléaire. Il suffit d’échanger les positions du proton et du neutron, de remplacer l’électron par un positron et l’antineutrino par un neutrino. L’équation s’écrit : $p \rightarrow n + e^{+} + \nu_e$.

Après la formation du noyau de deutérium par ce processus, un noyau d’hélium-3 est formé par $^2_1D + p \rightarrow {^3_2He}$, et enfin, deux noyaux d’hélium-3 entrent en collision pour former un noyau d’hélium-4 et deux protons.

En réalité, il n’y a pas qu’une seule voie de réaction pour la chaîne proton-proton. Le cas ci-dessus est le plus représentatif, mais il existe plusieurs autres voies. Cependant, les autres voies ne représentent pas une proportion significative dans les étoiles de masse inférieure ou égale à celle du Soleil, et dans les étoiles de masse supérieure à 1,5 fois celle du Soleil, le cycle CNO, que nous aborderons plus tard, joue un rôle beaucoup plus important que la chaîne proton-proton. C’est pourquoi nous ne les traiterons pas séparément ici.

Cette réaction en chaîne proton-proton se produit de manière prédominante à des températures d’environ 10 à 14 millions de kelvins. Dans le cas du Soleil, la température centrale est d’environ 15 millions de kelvins, et la chaîne pp représente 98,3% des réactions (le cycle CNO représentant les 1,3% restants).

Le cycle carbone-azote-oxygène (CNO Cycle)

Le cycle CNO est une réaction où le carbone se transforme en azote en absorbant un proton, puis l’azote se transforme en oxygène en absorbant un autre proton, et ainsi de suite. Finalement, après avoir absorbé 4 protons, il produit 1 hélium et revient au carbone. La caractéristique de ce cycle est que le carbone, l’azote et l’oxygène jouent un rôle de catalyseur. Théoriquement, ce cycle CNO prédomine dans les étoiles dont la masse est supérieure à 1,5 fois celle du Soleil. La différence de réaction selon la masse de l’étoile réside dans la différence de dépendance à la température entre la chaîne proton-proton et le cycle CNO. La première commence à des températures relativement basses d’environ 4 millions de kelvins, et sa vitesse de réaction est proportionnelle à la puissance 4 de la température. En revanche, la seconde commence à environ 15 millions de kelvins mais est très sensible à la température (la vitesse de réaction est proportionnelle à la puissance 16 de la température), de sorte qu’à des températures supérieures à 17 millions de kelvins, le cycle CNO devient prédominant.

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Le cycle CNO a également plusieurs voies. Il se divise principalement en cycle CNO froid (intérieur stellaire) et cycle CNO chaud (nova, supernova), et chacun de ces cas a encore trois ou quatre voies de réaction. J’aimerais traiter toutes les réactions du cycle CNO, mais ce volume serait insuffisant pour le faire, donc je ne traiterai que du cycle CN* le plus basique, c’est-à-dire le CNO-I.

*La raison pour laquelle il est appelé cycle CN, sans le O, est qu’il n’existe pas d’isotope stable de l’oxygène dans ce processus de réaction.

Comme le montre la figure ci-dessus, le carbone, l’azote et l’oxygène circulent et jouent un rôle de catalyseur. Cependant, indépendamment de la voie de réaction, l’équation de réaction globale et la quantité totale d’énergie produite sont les mêmes.

Pour en savoir plus

• Inkyu Park (Professeur de physique à l’Université de Séoul), Promenade physique de Naver Cast : Combien de neutrinos sont produits dans le Soleil ?
• Wikipédia, Chaîne proton-proton
• Wikipédia, Cycle CNO