État de Hoyle

L’état de Hoyle est un état résonant excité du carbone 12. Il est produit naturellement au cours de réactions triple alpha qui surviennent au cours de la nucléosynthèse stellaire. L’existence de cet état joue un rôle fondamental dans la nucléosynthèse du carbone via la combustion de l’hélium dans les géantes rouges et permet de reproduire les productions de carbone observées dans l’environnement stellaire.

Historique

En 1939, Hans Bethe publie un article dans lequel il indique que la collision de trois particules alpha qui conduirait à la formation du carbone 12 à l’intérieur des étoiles est hautement improbable à une température de 20 millions de degré, soit 50 fois moins que la température nécessaire pour que ces réactions se produisent en nombre suffisant[1]. En 1951, l’astrophysicien Ernst Öpik publie un article, dont la première version date de septembre 1948, dans lequel il discute la réaction triple alpha comme mécanisme permettant la formation du carbone et des éléments plus lourds lorsque l’étoile rentre dans une phase de contraction après épuisement de son hydrogène. Cette phase porte maintenant le nom de géante rouge et se traduit par une élévation de la température permettant un taux significatif de formation de carbone 12 par réaction triple alpha. Il proposa par ailleurs, plutôt qu’une collision simultanée de trois particules alpha, le passage par la formation intermédiaire du 8Be suivi d’une réaction avec une particule alpha[2]. Cependant son papier restera inconnu des scientifiques britanniques et américains jusqu’en 1953[3]. Edwin Salpeter propose en parallèle, en octobre 1951, que le carbone à l’intérieur des étoiles doit être synthétisé par l’intermédiaire de la réaction triple alpha, par fusion de noyaux d’hélium[4],[5]. En 1954, Fred Hoyle prédit l’existence d’un état résonant du carbone 12, alors inconnu, au cours de ses recherches sur la nucléosynthèse stellaire[6]. En 1957, elle fut confirmée par des mesures expérimentales par C.W. Cook, William Fowler et leurs collègues[7],[8].

Description physique

Représentation des deux premiers états nucléaires excités du carbone 12. Le niveau à 7 654,2 keV correspond à l’état de Hoyle. La différence d’énergie entre l’état de Hoyle et 8Be+α et 3α.

L’état de Hoyle est le deuxième état excité du carbone 12 situé à 7,654 MeV avec un spin-parité de 0+. Sa largeur de décroissance est de 9,3 ± 0,9 eV[9]. Il décroit spontanément vers l’état fondamental soit en passant par l’état excité situé à 4,44 MeV en émettant 2 photons ɣ, soit via une création de paires électron-positron de l’état de Hoyle directement vers l’état fondamental.

Depuis l’observation de cet état, ses propriétés précises sont toujours en cours d’étude[10]. En 2011, un calcul ab initio des états faiblement liés du carbone 12 trouve (en plus de l’état fondamental et de l’état excité de spin 2) une résonance avec toutes les propriétés de l’état de Hoyle[11],[12].

Importance en astrophysique

Principe anthropique

Bibliographie

  • (en) Martin Freer et H.O.U. Fynbo, « The Hoyle state in 12C », Progress in Particle and Nuclear Physics, vol. 78, , p. 1–23 (DOI 10.1016/j.ppnp.2014.06.001)

Références

  1. (en) H. A. Bethe, « Energy Production in Stars », Physical Review, vol. 55, , p. 434 (DOI 10.1103/PhysRev.55.434) p. 445–446
  2. (en) Ernst Öpik, « Stellar models with variable composition », Proceedings of the Royal Irish Academy, vol. 54, , p. 49 (lire en ligne) p. 71
  3. (en) Edwin Ernest Salpeter, « A Generalist Looks Back », Annual Review of Astronomy and Astrophysics, vol. 40, , p. 1-25 (DOI 10.1146/annurev.astro.40.060401.093901, lire en ligne) p. 9
  4. « Contributions théoriques d’Edwin Salpeter », sur Futura-Sciences,
  5. (en) Edwin Ernest Salpeter, « Nuclear Reactions in Stars Without Hydrogen », Astrophysical Journal, vol. 115, , p. 326-328 (DOI 10.1086/145546, lire en ligne)
  6. (en) Fred Hoyle, « On Nuclear Reactions Occuring in Very Hot STARS.I. the Synthesis of Elements from Carbon to Nickel », Astrophysical Journal Supplement, vol. 1, , p. 121 (DOI 10.1086/190005)
  7. (en) C.W. Cook et al., « B12, C12, and the Red Giants », Physical Review, vol. 107, , p. 508 (DOI 10.1103/PhysRev.107.508)
  8. (en) Helge Kragh, « When is a prediction anthropic? Fred Hoyle and the 7.65 MeV carbon resonance », (consulté le 29 octobre 2016)
  9. Freer et Fynbo 2014, p. 13
  10. (en) M. Chernykh, H. Feldmeier, T. Neff, P. Von Neumann-Cosel et A. Richter, « Structure of the Hoyle State in 12C », Physical Review Letters, vol. 98, no 3, , p. 032501 (PMID 17358679, DOI 10.1103/PhysRevLett.98.032501, Bibcode 2007PhRvL..98c2501C, lire en ligne)
  11. (en) Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Dean Lee et Ulf-G. Meißner, « Ab Initio Calculation of the Hoyle State », Physical Review Letters, vol. 106, no 19, , p. 192501 (PMID 21668146, DOI 10.1103/PhysRevLett.106.192501, Bibcode 2011PhRvL.106s2501E, arXiv 1101.2547)
  12. (en) M. Hjorth-Jensen, « Viewpoint: The carbon challenge », Physics, vol. 4, , p. 38 (DOI 10.1103/Physics.4.38, Bibcode 2011PhyOJ...4...38H, lire en ligne)
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