La forge

Ce que le premier jour a laissé

Au sortir des premières minutes, l'inventaire de la matière ordinaire tient en trois lignes. En masse, environ trois quarts d'hydrogène et un quart d'hélium 4. Des traces de deutérium et d'hélium 3, de l'ordre de quelques cent-millièmes de l'hydrogène. Un dix-milliardième environ de lithium 7 fields2014pdgwiki-chrono. Le quart d'hélium n'a rien d'arbitraire. Presque tous les neutrons qui avaient survécu jusqu'aux premières fusions ont fini dans l'hélium 4, le noyau léger le plus solide, et un neutron pour sept protons donne, par simple comptage, une fraction de masse d'hélium Yp ≃ 0,25 fields2014pdg(→ chap. 5). Les mesures actuelles discutent la troisième décimale, entre 0,240 et 0,245 environ, pas le quart lui-même Fields 2020Yanagisawa 2025.

La liste s'arrête là. Il n'y a ni carbone, ni oxygène, ni fer. L'arrêt ne tient pas au manque de temps mais à la structure des noyaux. La chaîne des réactions des premières minutes monte en ajoutant à chaque pas un proton, un neutron ou un noyau léger, et deux marches y manquent : il n'existe aucun noyau stable de masse 5 ni de masse 8 fields2014pdg. Un hélium 4 qui capte un proton ou un neutron donne un noyau de masse 5, qui ne tient pas. Deux héliums 4 qui fusionnent donnent un noyau de masse 8, qui ne tient pas davantage. Les noyaux plus lourds sont en outre protégés par la répulsion électrique entre charges positives, que les physiciens appellent barrière coulombienne. Le gaz est enfin si dilué, d'une densité « comparable à celle de l'air », que seules y comptent les rencontres entre deux noyaux fields2014pdg. Vers vingt minutes, température et densité sont trop basses pour toute fusion notable wiki-bbn. Les chapitres sur les trois premières minutes et sur les premières étoiles ont détaillé cet arrêt (→ chap. 5)(→ chap. 9) ; ce chapitre part de ses conséquences.

La principale est qu'il a fallu fabriquer ailleurs tout le reste du tableau périodique. Le principe en est posé en 1957 par un article de revue resté célèbre, « Synthesis of the Elements in Stars », signé par Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler et Fred Hoyle wiki-stellarnuc¹. Soixante ans plus tard, la revue de Chiaki Kobayashi, Amanda Karakas et Maria Lugaro, qui reconstruit l'origine de tous les éléments stables du carbone à l'uranium, le formule sans détour : les éléments de masse A ≥ 12, c'est-à-dire ceux dont le noyau compte au moins douze protons et neutrons, « ne sont pas produits pendant le Big Bang mais formés à l'intérieur des étoiles » Kobayashi 2020. Les astronomes appellent « métaux » tous les éléments plus lourds que l'hélium, y compris le carbone et l'oxygène (→ chap. 8). Au départ, la part des métaux dans la matière ordinaire est donc pratiquement nulle. Dans la photosphère du Soleil, la couche dont vient sa lumière, elle vaut aujourd'hui 1,39 % de la masse Asplund 2021. Tout ce que ce chapitre décrit tient entre ces deux nombres : de presque rien à 1,4 %, en un peu plus de neuf milliards d'années.

La forge a commencé tôt, et on ne l'a pas vue commencer. En 2025, le réseau de radiotélescopes ALMA détecte une raie de l'oxygène ionisé dans la galaxie JADES-GS-z14-0, vue « à peine 300 millions d'années après le Big Bang ». Sa métallicité, la part de métaux dans son gaz, vaut de 5 à 20 % de celle du Soleil Schouws 2025, soit de l'ordre de 0,07 à 0,3 % de la masse du gaz². Le chapitre sur les galaxies trop précoces en a tiré la conséquence (→ chap. 10) : puisque l'oxygène ne sort pas des premières minutes, il a fallu que des étoiles naissent, fabriquent de l'oxygène, meurent et le rendent au gaz avant que cette galaxie ne forme les étoiles qu'on voit briller. Les ouvriers de ce premier travail restent inconnus. Les étoiles de la première génération, dites de population III, nées d'un gaz sans aucun métal, n'ont jamais été observées directement Klessen 2023(→ chap. 9)³. La forge a donc un produit daté, l'oxygène de JADES-GS-z14-0 à 300 millions d'années, et un commencement que personne n'a observé.

Franchir la marche : la triple alpha

Une étoile brûle d'abord son hydrogène en hélium wiki-stellarnuc. « Brûler » est ici un terme de métier : il ne s'agit pas d'une combustion chimique, qui réarrange des atomes, mais d'une fusion nucléaire, qui soude des noyaux et libère de l'énergie⁴. Les réactions par lesquelles quatre noyaux d'hydrogène finissent en un noyau d'hélium ne sont pas détaillées dans les sources de ce livre⁵. Leur résultat suffit ici. Pendant la plus longue phase de sa vie, une étoile refait lentement, dans son cœur, ce que les premières minutes avaient fait en quelques minutes dans tout l'Univers : elle change de l'hydrogène en hélium. Elle n'ajoute alors aucun métal au monde.

Quand l'hydrogène du cœur est épuisé, l'hélium devient le combustible, et l'étoile se trouve devant la marche qui avait arrêté les premières minutes. Deux noyaux d'hélium qui fusionnent donnent un noyau de masse 8, le béryllium 8, qui n'est pas stable fields2014pdg. L'étoile le franchit par une réaction à trois partenaires, dite « triple alpha » : trois noyaux d'hélium donnent un noyau de carbone 12, en passant par le béryllium 8 wiki-stellarnuc. Le nom vient de ce que les physiciens appellent « particule alpha » le noyau d'hélium 4⁶. Le béryllium 8 n'est donc pas absent de la réaction : il en est l'étape intermédiaire. Il ne dure pas, mais s'il capte un troisième noyau d'hélium avant de se défaire, le carbone est formé, et le carbone, lui, est stable.

Ce qui distingue le cœur d'une étoile du gaz des premières minutes tient aux conditions. Les premières minutes offraient un gaz de la densité de l'air, où seules les rencontres à deux comptaient, pendant une fenêtre d'une vingtaine de minutes fields2014pdgwiki-bbn. Une réaction qui exige qu'un troisième noyau arrive pendant la brève existence d'un béryllium 8 y était pratiquement impossible. Le cœur d'une étoile qui brûle son hélium offre ce que les premières minutes n'offraient pas : une densité bien plus élevée et une durée qui se compte en millions d'années. La densité et la température qui règnent alors dans le cœur ne sont pas chiffrées dans les sources de ce livre⁷. Le principe, lui, découle des deux faits établis : la marche de masse 8 ne se franchit qu'à trois, et seul le cœur d'une étoile rend une rencontre à trois assez fréquente.

La réaction triple alpha a trois conséquences qui organisent toute la suite. La première porte sur la frontière de masse 12. Puisque le seul passage au-dessus des masses 5 et 8 aboutit au carbone 12, et que ce passage exige les conditions d'une étoile, tout ce qui pèse au moins douze nucléons sort d'une étoile. C'est exactement le lien que fait la revue de Kobayashi et de ses coautrices : c'est « à cause de la nature des réactions triple alpha » que les éléments de masse 12 ou plus sont formés à l'intérieur des étoiles Kobayashi 2020. La deuxième conséquence porte sur les étoiles concernées. La source le dit en trois mots : « dans tous les cas », l'hélium fusionne en carbone par cette réaction wiki-stellarnuc. Toute étoile qui brûle son hélium fabrique donc du carbone, qu'elle soit massive ou non. On verra que ce détail décide d'où vient le carbone de l'Univers. La troisième conséquence est ce que le passage laisse de côté. Entre le lithium, dernier produit des premières minutes, et le carbone, premier produit de la triple alpha, il reste des éléments, comme le béryllium et le bore stables, de masse 9 à 11. Leur origine n'est traitée par aucune source de ce livre⁸.

Une forge qui s'accélère

Chez les étoiles massives, la forge ne s'arrête pas au carbone. La contraction gravitationnelle du cœur, et l'échauffement qu'elle provoque, déclenchent successivement la combustion du carbone, de l'oxygène, puis du silicium wiki-stellarnuc. Le mécanisme se comprend à partir de ce qu'est une étoile : une boule de gaz que sa propre gravité comprime, et que la chaleur dégagée par les fusions de son cœur empêche de s'effondrer. Tant qu'un combustible brûle, les deux se compensent. Quand il est épuisé au centre, la chaleur ne compense plus, le cœur se contracte et, en se contractant, il s'échauffe. L'échauffement se poursuit jusqu'à ce que la température suffise à allumer le combustible suivant, qui n'est autre que la cendre du précédent⁹. Chaque nouveau combustible est plus lourd que le précédent. Ses noyaux portent plus de charges positives et se repoussent plus fort : la barrière coulombienne, qui freinait déjà les réactions lourdes dans les premières minutes fields2014pdg, exige à chaque étape une température plus haute pour être franchie¹⁰. La forge monte ainsi d'étage en étage, et chaque étage demande un cœur plus comprimé et plus chaud que le précédent.

Les étapes s'accélèrent brutalement. Pour une étoile de 25 masses solaires, la combustion de l'hydrogène dure 10 millions d'années ; celle du silicium dure 5 jours wiki-sib. Le rapport entre les deux est d'environ sept cents millions. Si la combustion de l'hydrogène de cette étoile durait une année, celle du silicium durerait quatre centièmes de seconde¹¹. Les durées des étapes intermédiaires, hélium, carbone et oxygène, ne sont pas données dans les sources de ce livre, pas plus que les raisons physiques de l'accélération¹². Le fait lui-même suffit pour la chimie du cosmos. Une étoile massive passe l'essentiel de sa vie à faire de l'hélium, et elle fabrique les éléments intermédiaires, du carbone au silicium, dans un temps qui, rapporté à cette vie, est presque nul.

Deux réserves bornent ces chiffres. La première tient à l'étoile de référence. Ce sont ceux d'une étoile de 25 masses solaires de type actuel. Ceux d'une étoile sans métaux de la première génération ne sont pas dans les sources, et le chapitre sur les premières étoiles ne s'en est servi que comme ordre de grandeur (→ chap. 9). La seconde tient à la masse. Les sources disent que cette suite de combustions est le fait des étoiles massives wiki-stellarnuc, sans donner le seuil de masse au-dessous duquel une étoile s'arrête avant le silicium, ni l'étape où s'arrête une étoile comme le Soleil¹³.

Une conséquence, en revanche, se tire directement des chiffres. Une étoile de 25 masses solaires vit de l'ordre d'une dizaine de millions d'années, puisque sa phase la plus longue en dure dix. À l'échelle de l'histoire cosmique, c'est un instant : trois cents fois moins que les 300 millions d'années qui séparent le début de l'observation de JADES-GS-z14-0. Les étoiles massives sont les seules à avoir eu le temps de vivre et de mourir plusieurs fois avant cette galaxie. C'est pourquoi l'oxygène, qu'elles produisent surtout Kobayashi 2020, est le premier métal qu'on s'attend à trouver dans le jeune Univers, et le premier qu'on y a trouvé Schouws 2025(→ chap. 9).

Pourquoi elle s'arrête au fer

La combustion du silicium est la dernière. Elle aboutit au nickel 56, qui donnera le fer wiki-sib. Le nickel 56 est un noyau radioactif : par deux désintégrations successives, en passant par le cobalt 56, il devient du fer 56, le fer ordinaire¹⁴. C'est pourquoi on dit que la forge s'arrête « au fer », alors que son dernier produit direct est un noyau de nickel.

Deux raisons l'empêchent d'aller plus loin, et la source les donne ensemble : après le nickel 56, les réactions sont « beaucoup moins exothermiques », et la température est si haute que la photodésintégration empêche de progresser wiki-sib.

La première raison touche à ce qu'est un combustible. Une étoile ne vit pas des éléments qu'elle fabrique, mais de l'énergie que leur fabrication libère : c'est cette énergie qui retient le cœur contre la gravité. Fusionner deux noyaux légers libère de l'énergie parce que le noyau produit est plus solidement lié que ses deux parents. Ce gain diminue à mesure qu'on monte dans les masses, et il s'annule dans la région du fer et du nickel, où les noyaux sont les plus solidement liés de tous¹⁵. Au-delà, fusionner ne rapporte presque plus rien. Le nickel 56 n'est pas un combustible pour l'étage suivant : c'est une cendre qui ne brûle plus.

La seconde raison est un retour de l'obstacle qui avait retardé les premières minutes. On appelle photodésintégration la destruction d'un noyau par un photon, un grain de lumière, assez énergétique pour le briser. Dans les premières minutes, c'est ce qui avait tenu le deutérium en échec : les photons, un milliard de fois plus nombreux que les noyaux, cassaient chaque noyau de deutérium dès sa formation, et les fusions avaient dû attendre que la lumière faiblisse fields2014pdg(→ chap. 5). Au fond d'une étoile massive, la situation est symétrique. Pour faire fusionner des noyaux de plus en plus lourds, le cœur doit être de plus en plus chaud, et à la température requise, la lumière du cœur se met à défaire les noyaux au lieu de laisser la forge les construire¹⁶. Aux deux bouts de l'histoire des noyaux, c'est la lumière qui fixe la limite : au début parce qu'elle est encore trop chaude, au fond des étoiles massives parce qu'elle l'est redevenue.

Privé de combustible, le cœur perd ce qui le soutenait. Il se contracte en quelques minutes ; la contraction s'emballe ensuite en un effondrement de quelques secondes wiki-sib. C'est la supernova à effondrement de cœur, que les astronomes classent en plusieurs types d'après la lumière qu'elle émet, dits II, Ib et Ic Kobayashi 2020. L'échelle des durées résume toute la vie de l'étoile : dix millions d'années d'hydrogène, cinq jours de silicium, quelques minutes de contraction, quelques secondes d'effondrement wiki-sib. Ce qui se passe pendant ces secondes, comment l'effondrement du cœur devient une explosion qui disperse le reste de l'étoile, et ce qu'il reste au centre, n'est pas décrit dans les sources de ce livre¹⁷.

Pour la chimie, un point compte plus que le mécanisme : la distinction entre fabriquer et rendre. Les éléments sont fabriqués pendant la vie de l'étoile, étage après étage. Ils ne rejoignent le gaz de la galaxie qu'au moment de sa mort. La revue de Kobayashi et de ses coautrices le dit pour les éléments intermédiaires : ils sont surtout produits dans les étoiles massives « avant d'être éjectés » par les supernovas à effondrement de cœur Kobayashi 2020. Tant qu'une étoile vit, ses produits restent enfermés en elle. Pour qu'un atome d'oxygène puisse entrer dans une étoile de la génération suivante, il faut que la première soit morte.

Qui a fait quoi

Savoir comment une étoile fabrique un élément ne dit pas quelle part de cet élément vient de telle ou telle sorte d'étoile. Cette répartition sort de modèles d'évolution chimique. Ces modèles suivent une galaxie au fil du temps. Ils y font naître des étoiles de toutes masses, leur attribuent ce que chacune rejette en mourant, et comparent le mélange qui en résulte aux compositions mesurées dans les étoiles réelles¹⁸. Kobayashi, Karakas et Lugaro ont reconstruit de cette façon l'origine de tous les éléments stables du carbone à l'uranium Kobayashi 2020. Les proportions qui suivent sont donc des résultats de modèle, pas des comptages d'atomes étiquetés. Les auteurs les donnent d'ailleurs en ordres de grandeur, « environ la moitié », « surtout », et la fiche qui sert de base à ce chapitre les range parmi les points à vérifier avant publication¹⁹. Le partage se fait entre quatre sources.

Les vents des étoiles moyennes. Environ la moitié du carbone, de l'azote et du fluor de l'Univers vient d'étoiles de masse faible ou moyenne, pendant la phase de leur fin de vie que les astronomes appellent la branche asymptotique des géantes, ou phase AGB Kobayashi 2020²⁰. Ces étoiles ne meurent pas en explosant. Elles rendent leur matière par des vents, en perdant peu à peu leurs couches extérieures Kobayashi 2020. Le résultat corrige une image répandue. Le carbone ne vient pas surtout des supernovas : environ la moitié vient d'étoiles moyennes qui soufflent leur enveloppe. Ce n'est pas un paradoxe, puisque toute étoile qui brûle son hélium fabrique du carbone par la triple alpha wiki-stellarnuc. Les étoiles de masse faible ou moyenne sont bien plus nombreuses que les massives, et elles rendent leur carbone doucement, par leurs vents²¹.

Les supernovas à effondrement de cœur. L'oxygène, le magnésium, le silicium, le soufre et le calcium sont surtout produits dans les étoiles massives et éjectés par les supernovas à effondrement de cœur Kobayashi 2020. Ce sont les produits des étages décrits plus haut, du carbone au silicium. Les astronomes les appellent éléments « alpha », parce que leurs noyaux les plus abondants comptent un nombre de nucléons multiple de quatre, comme s'ils étaient des assemblages de noyaux d'hélium²². L'oxygène de JADES-GS-z14-0 relève de cette source Kobayashi 2020Schouws 2025.

Les naines blanches qui explosent. La moitié environ des éléments du « pic du fer », c'est-à-dire le chrome, le manganèse, le fer, le nickel, le cobalt, le cuivre et le zinc, vient des supernovas de type Ia Kobayashi 2020. Ces supernovas sont des explosions de naines blanches carbone-oxygène dans des systèmes doubles, où deux étoiles tournent l'une autour de l'autre Kobayashi 2020. Une naine blanche est le cœur mis à nu d'une étoile de masse faible ou moyenne qui a perdu son enveloppe²³. Celle-ci est faite de carbone, que la triple alpha a produit, et d'oxygène. Pourquoi une telle naine blanche finit par exploser, et quel rôle y joue sa compagne, n'est pas décrit dans les sources de ce livre²⁴. Le résultat corrige une seconde image répandue. Le fer ne vient pas seulement des étoiles massives : environ la moitié du fer vient de ces explosions de naines blanches. L'extrait de la revue ne nomme pas la source de l'autre moitié ; la fiche la rapporte, par contraste, aux étoiles massives²⁵.

Les captures de neutrons. Au-delà du fer, à partir d'une masse d'environ 64, les éléments ne sont plus fabriqués par fusion de noyaux chargés, mais surtout par captures de neutrons Kobayashi 2020. Un neutron n'a pas de charge électrique. Aucune barrière coulombienne ne l'empêche d'approcher un noyau, si lourd soit-il. Un noyau qui absorbe des neutrons s'alourdit, puis certains de ses neutrons se changent en protons, ce qui le fait monter d'un rang dans le tableau périodique²⁶. Deux régimes existent, qui se distinguent par la densité de neutrons disponibles. Le processus lent, ou processus s, opère à environ 10⁷ neutrons par centimètre cube ; le processus rapide, ou processus r, au-delà de 10²⁰ Kobayashi 2020. Le processus s principal fabrique les éléments du strontium au plomb, et il a lieu dans les étoiles AGB de faible masse Kobayashi 2020, les mêmes étoiles modestes qui fournissent la moitié du carbone. Le processus r relève d'autres lieux, que la dernière section de ce chapitre situe.

Le partage se résume en quelques lignes.

Ce tableau fait apparaître un fait que l'image d'une forge unique cache. Les étoiles massives et leurs explosions n'ont pas tout fait. Les étoiles moyennes, sans explosion, ont fourni une grande part du carbone et de l'azote et la plupart des éléments du processus s. Les naines blanches, restes d'étoiles moyennes elles aussi, ont fourni la moitié du fer. Le tableau périodique de la matière ordinaire est l'œuvre de toutes les masses d'étoiles, chacune à son rythme.

Une horloge chimique et un recyclage

Le partage des éléments entre ces sources a une conséquence dans le temps, parce que les sources ne rendent pas leur matière au même rythme. Une étoile massive meurt au bout de quelques millions d'années wiki-sib. Une supernova de type Ia ne peut se produire qu'après la formation d'une naine blanche, donc après la vie entière d'une étoile moyenne, qui est longue : elle arrive avec retard Kobayashi 2020²⁷.

Imaginons une galaxie qui commence à former des étoiles. Pendant ses premiers temps, seules les supernovas à effondrement de cœur ont eu le temps de se produire. Elles enrichissent le gaz en éléments alpha, oxygène, magnésium, silicium, avec un peu de fer. Le gaz de cette époque a donc un rapport élevé entre éléments alpha et fer. Plus tard, les supernovas Ia s'ajoutent. Elles apportent beaucoup de fer et peu d'éléments alpha, et le rapport baisse. La revue de Kobayashi et de ses coautrices énonce le fait et sa cause : le rapport entre éléments alpha et fer baisse avec le temps, et cette relation s'explique par « l'enrichissement retardé en fer par les supernovas Ia » Kobayashi 2020.

Le rapport devient ainsi une horloge. Une étoile riche en éléments alpha par rapport à son fer est née d'un gaz enrichi surtout par des étoiles massives, donc tôt dans l'histoire de sa galaxie. Une étoile au rapport plus bas est née après l'arrivée des supernovas Ia. C'est une horloge relative : elle ordonne des populations d'étoiles, elle ne donne pas d'âge en années. Les sources de ce livre ne disent pas si elle bat au même rythme partout, par exemple dans une galaxie qui forme ses étoiles vite et dans une autre qui les forme lentement²⁸. Pour dater en années, il faut d'autres méthodes, comme l'âge des étoiles sous-géantes dont Maosheng Xiang et Hans-Walter Rix se sont servis pour dater le début du disque ancien de la Voie lactée Xiang 2022. Les deux se combinent, et c'est ainsi que se lit l'ordre de formation des populations d'étoiles de notre Galaxie, que raconte (→ chap. 14).

L'horloge repose sur une propriété plus générale. Les éléments plus lourds que l'hélium sont fabriqués dans les étoiles, rejetés quand elles meurent, et la génération suivante naît de nuages de gaz qui les contiennent Kobayashi 2020. Une étoile garde dans son atmosphère la composition du gaz dont elle est née. Chaque étoile d'aujourd'hui est donc un fossile de la chimie de ce gaz, et les astronomes appellent « archéologie galactique » l'étude qui s'en sert Kobayashi 2020. Les étoiles les plus pauvres en métaux sont les témoins les plus anciens de ce recyclage. Les vieilles étoiles du halo de la Galaxie, dans lesquelles on mesure le lithium des premières minutes, descendent jusqu'à environ cinq cents fois moins de fer que le Soleil Fields 2020²⁹. Le Soleil, avec 1,39 % de sa masse en métaux, est né d'un gaz qui avait fait beaucoup de tours de cette boucle Asplund 2021.

Combien de tours, au juste ? On ne peut pas le chiffrer, et ce n'est pas une lacune de mesure qu'une meilleure observation comblerait. Une lignée se compte parce que chaque génération y descend d'une seule précédente. Le gaz d'une galaxie, lui, mélange les rejets d'étoiles de toutes masses, mortes à toutes les époques. Une étoile massive née il y a peu y dépose son oxygène à côté du fer d'une naine blanche formée des milliards d'années plus tôt. Un atome de carbone du Soleil peut avoir traversé une étoile, ou trois, ou aucune depuis sa fabrication. La question « combien de générations avant le Soleil ? » n'a pas de réponse numérique, parce que le recyclage ne définit pas de générations successives ; la fiche de base la classe parmi les hypothèses non chiffrables ³⁰. Sur l'axe qui compte ici, celui de ce qu'on peut dénombrer, l'histoire des métaux du Soleil est un recyclage et non une lignée.

Un dernier point de l'inventaire se lit dans la composition du Soleil. En masse, sa photosphère contient aujourd'hui 74,4 % d'hydrogène, 24,2 % d'hélium et 1,39 % de tous les autres éléments Asplund 2021³¹. Le 1,4 % est l'œuvre de la forge. Les 74 % d'hydrogène ne le sont pas. Les étoiles ne fabriquent pas d'hydrogène : elles en consomment, puisque leur premier travail est de le changer en hélium wiki-stellarnuc. Tout l'hydrogène qui existe vient donc des premières minutes. La formule selon laquelle « nous sommes faits de poussière d'étoiles » demande à être corrigée sur ce point ³². Dans une molécule d'eau, l'oxygène a été fabriqué dans une étoile massive et rendu par sa supernova, mais les deux atomes d'hydrogène datent du premier jour. Le carbone de nos cellules vient pour moitié environ des vents d'étoiles moyennes. Le fer de notre sang vient pour moitié environ de naines blanches qui ont explosé Kobayashi 2020wiki-frise-na. Si la matière de nos corps est bien celle du nuage dont est né le Soleil, ce que les chapitres suivants auront à établir, nos corps portent à la fois de la matière du premier jour et de la matière forgée dans les étoiles.

Ce que la forge ne fait pas

La forge décrite jusqu'ici laisse de côté une moitié des éléments lourds. Environ la moitié des éléments plus lourds que le fer présents dans la nature est attribuée au processus r, la capture rapide de neutrons Cowan 2021. L'or et le platine en font partie Kasen 2017. Ce processus exige plus de 10²⁰ neutrons par centimètre cube Kobayashi 2020, soit dix mille milliards de fois la densité de neutrons du processus s. Aucune des étapes décrites dans ce chapitre ne fournit une telle densité : ni la combustion tranquille de l'hydrogène et de l'hélium, ni les étages rapides du carbone au silicium, ni les vents des étoiles AGB, qui atteignent 10⁷ neutrons par centimètre cube Kobayashi 2020. Les sources de ce livre situent le processus r dans des événements plus violents et plus rares que la mort ordinaire d'une étoile.

L'origine cosmique des éléments plus lourds que le fer « est restée longtemps incertaine » Kasen 2017. Les candidats que recense la revue de John Cowan et de ses coauteurs sont des fusions de deux étoiles à neutrons, des fusions d'une étoile à neutrons et d'un trou noir, et certaines hypernovas, des supernovas particulièrement énergiques Cowan 2021. Kobayashi et ses coautrices reproduisent l'évolution de l'europium, un élément du processus r, si environ 3 % des hypernovas de 25 à 50 masses solaires sont des supernovas dites magnéto-rotationnelles, qui produiraient ces éléments Kobayashi 2020. Leur revue relève aussi que les fusions d'étoiles à neutrons, qui peuvent produire les éléments du processus r jusqu'au thorium et à l'uranium, ont des délais « trop longs » pour expliquer les étoiles les plus pauvres en métaux, qui en contiennent déjà Kobayashi 2020. Le site du processus r reste, selon la revue de Cowan, l'une des deux grandes incertitudes du domaine, avec la physique des noyaux très riches en neutrons Cowan 2021.

En août 2017, une fusion de deux étoiles à neutrons a été détectée en ondes gravitationnelles, puis vue en lumière Kasen 2017. Ce qu'on y a vu, et ce que ce premier témoin direct laisse encore ouvert, est l'objet du chapitre 13.

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas ce qu'a fabriqué la première forge. L'oxygène de JADES-GS-z14-0 prouve que des étoiles avaient forgé et rendu des métaux avant 300 millions d'années Schouws 2025. Il ne dit pas lesquelles, ni en quelles quantités. Les étoiles de population III n'ont jamais été observées Klessen 2023, et ce qu'une étoile sans métaux de telle masse fabrique et rejette n'est pas dans les sources de ce livre (→ chap. 9). Deux sortes d'indices pourraient faire mieux : les compositions des étoiles les plus pauvres en métaux de la Galaxie, fossiles des premiers enrichissements Kobayashi 2020, et l'observation directe d'un système de première génération. La confiance est élevée sur le fait qu'une forge a précédé les premières galaxies visibles, faible sur ce qu'elle a produit.

On ne connaît le partage des éléments qu'à travers des modèles. Les « environ la moitié » de Kobayashi et de ses coautrices pour le carbone, l'azote, le fluor et le fer sont des résultats d'évolution chimique Kobayashi 2020. Ils dépendent de ce que chaque sorte d'étoile rejette et du rythme auquel les supernovas Ia se produisent. Les sources de ce livre ne disent pas de combien ces proportions bougeraient si l'on changeait ces ingrédients. Le sens général du partage, les éléments alpha aux étoiles massives, une grande part du carbone et de l'azote aux étoiles moyennes, une grande part du fer aux naines blanches, est établi ; les proportions exactes sont à tenir pour des ordres de grandeur.

Deux mécanismes d'explosion restent hors de la base. Comment l'effondrement d'un cœur de fer, qui dure quelques secondes wiki-sib, se change en une explosion qui disperse l'étoile, et pourquoi une naine blanche dans un système double finit par exploser, ne sont pas décrits dans les sources de ce livre. Il s'agit ici de lacunes de la base, pas nécessairement d'inconnues de la science : les fiches ne disent pas où en est la compréhension de ces explosions. Il en va de même pour les raisons de l'accélération des étapes de combustion, et pour le seuil de masse qui sépare les étoiles qui vont jusqu'au silicium de celles qui s'arrêtent avant.

On ne sait pas si l'horloge chimique bat au même rythme partout. Le principe, un rapport alpha/fer qui baisse à mesure que les supernovas Ia s'ajoutent, est établi Kobayashi 2020. La durée du retard des Ia n'est pas chiffrée dans la base, et la dépendance de l'horloge au rythme de formation des étoiles de chaque galaxie n'y est pas documentée. L'horloge ordonne ; pour dater en années, il faut la combiner avec d'autres méthodes Xiang 2022.

On ne sait pas où se fait l'essentiel du processus r aux premières époques. Les fusions d'étoiles à neutrons en produisent, mais arrivent trop tard pour les étoiles les plus anciennes ; les supernovas magnéto-rotationnelles sont une solution de modèle Kobayashi 2020Cowan 2021. Ce qui départagerait les candidats est la présence et la dispersion des éléments du processus r dans les étoiles les plus pauvres en métaux, et le nombre d'événements de chaque sorte. Cette question appartient au chapitre suivant.

Enfin, on ne saura pas compter les générations d'étoiles qui ont précédé le Soleil, pour une raison de principe et non de mesure : le recyclage mélange les apports de toutes les époques.

Ce que ce chapitre démontre

Les premières minutes laissent de l'hydrogène, environ 25 % d'hélium en masse et des traces de lithium. Elles s'arrêtent là parce qu'il n'existe aucun noyau stable de masse 5 ou 8 fields2014pdg. Tous les éléments de masse 12 ou plus sont formés dans les étoiles Kobayashi 2020. Le principe en est posé en 1957 par Margaret et Geoffrey Burbidge, William Fowler et Fred Hoyle wiki-stellarnuc. La forge a commencé avant les plus anciennes galaxies vues : JADES-GS-z14-0 contient déjà, à 300 millions d'années, 5 à 20 % de la métallicité solaire Schouws 2025. Aucune étoile de la première génération n'a pourtant été observée Klessen 2023.

Les étoiles franchissent la marche de masse 8 par la réaction triple alpha : trois noyaux d'hélium donnent un carbone, en passant par le béryllium 8 wiki-stellarnuc. Toutes les étoiles qui brûlent leur hélium la réalisent. C'est elle qui fait de la masse 12 la frontière entre ce que le premier jour a fait et ce que les étoiles font Kobayashi 2020.

Chez les étoiles massives, la contraction et l'échauffement du cœur allument successivement le carbone, l'oxygène et le silicium wiki-stellarnuc. Les étapes s'accélèrent : pour une étoile de 25 masses solaires, 10 millions d'années d'hydrogène, 5 jours de silicium wiki-sib. La forge s'arrête au nickel 56, qui donnera le fer. Au-delà, les réactions libèrent beaucoup moins d'énergie, et la température est si haute que la photodésintégration défait ce que la fusion construirait wiki-sib. Privé de combustible, le cœur se contracte en quelques minutes puis s'effondre en quelques secondes : c'est la supernova à effondrement de cœur wiki-sib.

Selon les modèles d'évolution chimique, les sources se partagent le tableau périodique Kobayashi 2020. Environ la moitié du carbone, de l'azote et du fluor vient des vents d'étoiles de masse faible ou moyenne en phase AGB. L'oxygène, le magnésium, le silicium, le soufre et le calcium viennent surtout des étoiles massives, par leurs supernovas. Environ la moitié des éléments du pic du fer vient des supernovas Ia, explosions de naines blanches carbone-oxygène dans des systèmes doubles. Le processus s, à environ 10⁷ neutrons par centimètre cube, fabrique dans les étoiles AGB de faible masse les éléments du strontium au plomb. Le carbone ne vient donc pas surtout des supernovas, et le fer ne vient pas seulement des étoiles massives.

Parce que les supernovas Ia arrivent en retard, le rapport entre éléments alpha et fer baisse avec le temps Kobayashi 2020. Il sert d'horloge pour ordonner les populations d'étoiles, chacune étant un fossile chimique du gaz dont elle est née. Le Soleil contient 1,39 % de métaux, somme de ce recyclage Asplund 2021, dont on ne peut pas compter les générations. Ses 74 % d'hydrogène, et l'hydrogène de nos corps, ne viennent pas des étoiles mais du premier jour.

Environ la moitié des éléments plus lourds que le fer, dont l'or et le platine, relève du processus r Cowan 2021Kasen 2017. Il exige plus de 10²⁰ neutrons par centimètre cube Kobayashi 2020, ce qu'aucune combustion stellaire ordinaire ne fournit. Où il se produit est la question du chapitre suivant.

Notes