Chloé Leroy
À quoi ressemble l’intérieur du noyau d’un atome de carbone ? Une nouvelle étude du Forschungszentrum Jülich, de l’Université d’État du Michigan (États-Unis) et de l’Université de Bonn apporte la première réponse complète à cette question. Dans l’étude, les chercheurs ont simulé tous les états énergétiques connus du noyau. Ceux-ci incluent l’état déroutant de Hoyle. S’il n’existait pas, le carbone et l’oxygène ne seraient présents dans l’univers qu’en infimes traces. En fin de compte, nous lui devons donc aussi notre propre existence. L’étude vient d’être publiée dans la revue Mother nature Communications.
Le noyau d’un atome de carbone est normalement constitué de six protons et de 6 neutrons. Mais remark sont-ils agencés exactement ? Et remark leur configuration adjust-t-elle lorsque le noyau est bombardé d’un rayonnement de haute énergie ? Depuis des décennies, la science cherche des réponses à ces inquiries. Notamment parce qu’ils pourraient fournir la clé d’un mystère qui a longtemps intrigué les physiciens : pourquoi y a-t-il une quantité importante de carbone dans l’espace, un atome sans lequel il n’y aurait pas de vie sur Terre ?
Après tout, peu de temps après le Major Bang, il n’y avait que de l’hydrogène et de l’hélium. Le noyau d’hydrogène est constitué d’un seul proton, celui d’hélium de deux protons et de deux neutrons. Tous les éléments moreover lourds n’ont été créés que plusieurs milliards d’années moreover tard par des étoiles vieillissantes. En eux, des noyaux d’hélium ont fusionné en noyaux de carbone à une pression enormous et à des températures extrêmement élevées. Cela nécessite trois noyaux d’hélium pour fusionner. “Mais il est en fait très peu possible que cela se produise”, explique le professeur Ulf Meißner de l’Institut Helmholtz de physique des rayonnements et nucléaire de l’Université de Bonn et de l’Institut de simulation avancée du Forschungszentrum Jülich. La raison : Les noyaux d’hélium ont ensemble une énergie beaucoup moreover élevée qu’un noyau de carbone. Cependant, cela ne signifie pas qu’ils fusionnent particulièrement facilement – au contraire : c’est comme si trois personnes voulaient sauter sur un manège. Mais comme ils courent beaucoup in addition vite que les tours de manège, ils n’y parviennent pas.
Simulation sur le supercalculateur
Dès les années 1950, l’astronome britannique Fred Hoyle postulait donc que les trois noyaux d’hélium s’unissent d’abord pour former une sorte d’état de transition. Cet “état de Hoyle” a une énergie très similaire aux noyaux d’hélium. Pour rester dans le coup : il s’agit d’une variation furthermore rapide du manège, sur laquelle les trois passagers peuvent donc facilement sauter. Lorsque cela se produit, le carrousel ralentit à sa vitesse normale. “Ce n’est qu’en faisant un détour par l’état de Hoyle que les étoiles peuvent créer du carbone en quantité appréciable”, explique Meißner, qui est également membre des domaines de recherche transdisciplinaires “Modélisation” et “Matière” de l’Université de Bonn.
Il y a une dizaine d’années, avec des collègues américains, le Forschungszentrum Jülich et la Ruhr-Universität Bochum, il a réussi pour la première fois à simuler cet État de Hoyle. “Nous avions déjà une idée de la façon dont les protons et les neutrons du noyau de carbone sont disposés dans cet état”, explique-t-il. “Cependant, nous n’avons pas été en mesure de prouver avec certitude que cette hypothèse était vraie.” Avec l’aide d’une méthode avancée, les chercheurs ont maintenant réussi. Ceci est essentiellement basé sur le confinement : en réalité, les protons et les neutrons — les nucléons — peuvent être situés n’importe où dans l’espace. Pour leurs calculs, cependant, l’équipe a restreint cette liberté : “Nous avons disposé nos particules nucléaires sur les nœuds d’un réseau tridimensionnel”, explique Meißner. “Nous ne leur avons donc permis que certains postes strictement définis.”
Temps de calcul : cinq hundreds of thousands d’heures processeur
Grâce à cette restriction, il a été achievable de calculer le mouvement des nucléons. Étant donné que les particules nucléaires s’affectent différemment selon leur length les unes des autres, cette tâche est très complexe. Les chercheurs ont également exécuté leur simulation plusieurs tens of millions de fois avec des conditions de départ légèrement différentes. Cela leur a permis de voir où les protons et les neutrons étaient les moreover susceptibles de se trouver. “Nous avons effectué ces calculs pour tous les états d’énergie connus du noyau de carbone”, explique Meißner. Les calculs ont été effectués sur le supercalculateur JEWELS du Forschungszentrum Jülich. Ils ont nécessité un whole d’environ cinq tens of millions d’heures de processeur, avec plusieurs milliers de processeurs fonctionnant simultanément.
Les résultats fournissent effectivement des images du noyau de carbone. Ils prouvent que les particules nucléaires n’existent pas indépendamment les unes des autres. “Au lieu de cela, ils sont regroupés en groupes de deux neutrons et deux protons chacun”, explique le physicien. Cela signifie que les trois noyaux d’hélium peuvent encore être détectés après avoir fusionné pour previous le noyau de carbone. Selon l’état d’énergie, ils sont présents dans différentes formations spatiales – soit disposés en triangle isocèle, soit comme un bras légèrement plié, l’épaule, l’articulation du coude et le poignet étant chacun occupés par un groupe.
L’étude permet non seulement aux chercheurs de mieux comprendre la physique du noyau de carbone. Meißner : “Les méthodes que nous avons développées peuvent facilement être utilisées pour simuler d’autres noyaux et conduiront certainement à des connaissances entièrement nouvelles.”
Institutions participantes et financement :
Le Forschungszentrum Jülich, l’Université d’État du Michigan (États-Unis), l’Académie chinoise d’ingénierie physique et l’Université de Bonn ont participé à l’étude. Le travail a été rendu probable grâce au financement de la Fondation allemande pour la recherche, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, l’Académie chinoise des sciences (CAS), la Fondation Volkswagen, le Conseil européen de la recherche (ERC), le Département américain de l’énergie, le Nuclear Computational Low-Strength Initiative (NUCLEI) et le Gauss Center for Supercomputing eV
