Comment le krypton-88 aide à combler le déficit de strontium dans les modèles stellaires

Les étoiles très anciennes conservent la signature chimique des premières générations de nucléosynthèse stellaire. Or, dans certaines d’entre elles, les modèles du processus i — une voie de capture de neutrons intermédiaire — reproduisaient assez bien des éléments voisins du strontium, comme l’yttrium et le zirconium, tout en prédisant trop peu de strontium. Une nouvelle étude sur le krypton-88 réduit une incertitude nucléaire qui pouvait expliquer cet écart. 8

Le problème du strontium « manquant »

Les mécanismes classiques de formation des éléments lourds, les processus r, s et p, ne rendent pas entièrement compte de certains profils d’abondances inhabituels mesurés dans de vieilles étoiles. Le processus i constituait une explication crédible, mais ses calculs sous-estimaient nettement le strontium alors qu’ils décrivaient mieux l’yttrium et le zirconium. 8

L’un des points faibles était le taux de la réaction ^88Kr(n,γ)^89Kr : la vitesse à laquelle le krypton-88 capture un neutron et devient du krypton-89. Une valeur mal contrainte se répercute dans le réseau de réactions nucléaires qui détermine, au bout de la chaîne, la quantité de strontium produite.

Une mesure indirecte, car la réaction est difficile à observer directement

Mesurer directement une capture de neutrons sur un noyau radioactif à courte durée de vie est particulièrement ardu. L’équipe a donc suivi une méthode indirecte : elle a produit du krypton-89 dans l’installation ATLAS du laboratoire national d’Argonne, puis analysé les rayons gamma émis lors de sa désintégration avec le détecteur Summing NaI, ou SuN. Ces données ont permis de contraindre la réaction inverse, astrophysiquement essentielle, impliquant le krypton-88. 10

Le résultat principal n’est pas seulement une nouvelle estimation du taux. Son domaine d’incertitude a été réduit : d’au moins un facteur huit, il passe à environ un facteur trois. L’étude indique aussi que ce taux est inférieur à la prédiction théorique largement utilisée jusqu’ici. 10

Pourquoi un taux plus faible produit davantage de strontium dans les simulations

Dans les modèles du processus i, le taux de capture sur le krypton-88 influe sur le chemin suivi par la matière au sein de la chaîne de transformations nucléaires. Lorsqu’il est plus faible, une plus grande part de la matière peut emprunter des voies qui conduisent finalement au strontium.

Les simulations prédisent donc davantage de strontium, avec une incertitude sensiblement réduite pour la part liée à cette réaction précise. Les auteurs présentent ce résultat comme une solution possible au déficit de strontium des modèles du processus i, et non comme la démonstration définitive de l’origine astrophysique du phénomène. 8

Ce que la mesure ne permet pas encore de trancher

Cette nouvelle donnée renforce la plausibilité du processus i pour expliquer certains profils d’abondances, mais elle ne permet pas à elle seule d’identifier un type d’étoile ou un scénario astrophysique unique. Elle resserre une incertitude majeure de physique nucléaire ; elle ne fixe pas toutes les conditions physiques de l’environnement stellaire concerné. 8

D’autres incertitudes nucléaires subsistent également dans les réseaux de réactions. Une meilleure concordance pour le strontium ne signifie donc pas encore qu’un modèle unique explique tous les éléments observés dans toutes les étoiles anciennes.

Les prochaines questions à explorer

Avec le krypton-88 désormais mieux contraint, les chercheurs peuvent examiner plus nettement plusieurs questions :

• Où le processus i se produit-il ? Il reste à déterminer quels environnements stellaires peuvent générer les profils d’abondances mesurés.
• Quelles conditions sont nécessaires ? Les modèles pourront tester plus strictement le rôle de la densité de neutrons, de la température, de la durée du phénomène et du mélange de matière dans l’étoile.
• Quelles réactions constituent les prochaines sources d’incertitude ? Des mesures ciblées sur d’autres noyaux instables seront nécessaires pour affiner les rendements en strontium et en éléments plus lourds.
• Un même modèle peut-il reproduire un profil complet ? L’épreuve décisive sera de rendre compte simultanément du strontium, de l’yttrium, du zirconium et d’éléments plus lourds dans les mêmes étoiles anciennes.

L’intérêt de cette mesure tient précisément à cela : elle transforme une lacune nucléaire importante en une incertitude plus petite et quantifiable. Les confrontations entre observations stellaires et modèles du processus i deviennent ainsi beaucoup plus révélatrices. 810