Cycle carbone-azote-oxygène

Le cycle carbone-azote-oxygène (ou, avec les symboles chimiques, cycle CNO), parfois appelé cycle de Bethe, ou cycle de Bethe-Weizsäcker[1], est l'une des deux réactions de fusion nucléaire par lesquelles les étoiles convertissent de l'hydrogène en hélium ; l'autre réaction est la chaîne proton-proton.

Alors que la chaine proton-proton est le principal type de fusion dans les étoiles de masse inférieure ou égale à celle du Soleil, les modèles théoriques montrent que le cycle carbone-azote-oxygène est la source principale d'énergie dans les étoiles de masse plus élevée. Il fut proposé par les physiciens Hans Bethe et Carl Friedrich von Weizsäcker en 1938-1939.

Ce cycle est aussi probablement la principale source de production d'azote, qui s'équilibre avec la quantité de carbone présente selon la fréquence relative des différentes réactions.

Détails du cycle CNO se produisant à l'intérieur d'une étoile.

Cycle principal : CNO - I

Le cycle carbone-azote-oxygène.

En réalité, il n'y a pas un, mais trois cycles qui sont importants d'un point de vue astrophysique.

Le cycle principal est le suivant[2] :

12 6C + 1 1H	⟶	13 7N + $γ$	+ 1,95 MeV
13 7N	⟶	13 6C + e⁺ + $ν$ _e	+ 2,22 MeV
13 6C + 1 1H	⟶	14 7N + $γ$	+ 7,54 MeV
14 7N + 1 1H	⟶	15 8O + $γ$	+ 7,35 MeV
15 8O	⟶	15 7N + e⁺ + $ν$ _e	+ 2,75 MeV
15 7N + 1 1H	→	12 6C + 4 2He	+ 4,96 MeV

Ce cycle a pour résultat la fusion, par capture de protons, de quatre noyaux d'hydrogène (¹H, ou protons) en un seul noyau d'hélium (⁴He, ou particule alpha), et fournit de l'énergie en concordance avec l'équation d'Einstein : E=mc². Dans ces réactions, le carbone sert de catalyseur, il est régénéré à la fin du cycle.

Cycles secondaires

À la dernière étape de ce cycle principal, là où le dernier proton absorbé par le noyau de ¹⁵N permet de restaurer le noyau de ¹²C initial, il existe une autre voie : celle de la création d'un noyau de ¹⁶O accompagnée d'une émission $γ$ ). Cette autre voie arrive avec une probabilité de 0,04 % (soit 1 fois sur 2500), le bilan n'est alors plus une production d'hélium ⁴He, mais une transformation du carbone ¹²C en oxygène ¹⁶O.

Il apparaît alors d'autres réactions possibles, des protons avec l'oxygène produit, ainsi bien sûr qu'avec l'oxygène initialement présent :

15 7N + 1 1H	⟶	16 8O + $γ$	+ 12,13 MeV
16 8O + 1 1H	⟶	17 9F + $γ$	+ 0,60 MeV
17 9F	⟶	17 8O + e⁺ + $ν$ _e	+ 2,76 MeV
17 8O + 1 1H	⟶	14 7N + 4 2He	+ 1,19 MeV

Il se produit alors un équilibre entre les proportions relatives de l'oxygène (¹⁶O et ¹⁷O) et de l'azote (¹⁴N et ¹⁵N) selon la fréquence des réactions.

La branche principale du cycle CNO est connue comme CNO-I, la branche mineure comme CNO-II. Deux autres branches, CNO-III et CNO-IV, sont significatives seulement dans les étoiles de forte masse. Elles ont lieu quand la dernière réaction du cycle CNO-II produit de l'oxygène ¹⁸O par désintégration β⁺ (et une relaxation $γ$ ), au lieu de l'azote ¹⁴N et d'un rayonnement α ⁴He ; à partir du noyau instable de fluor 18.

17 8O + 1 1H	⟶	18 9F
18 9F	⟶	18 8O + e⁺ + $ν$ _e + $γ$ .

Conséquences en astrophysique

Bien que le nombre total de noyaux « catalytiques » soit conservé dans le cycle, durant la séquence principale les proportions relatives des noyaux sont changées. Quand le cycle parvient à l'équilibre, le rapport des noyaux ¹²C/¹³C est porté à 3,5 et ¹⁴N devient le noyau majoritaire, indépendamment de la composition initiale.

Pendant les dernières étapes de vie d'une étoile, les mouvements de convection apportent les matériaux dans lequel le cycle s'est établi, à partir de l'intérieur à la surface, changeant la composition observée des différentes espèces chimiques.

Certaines géantes rouges observées ont des rapports ¹²C/¹³C et ¹²C/¹⁴N inférieurs aux étoiles de la séquence principale, ce qui est considéré comme une preuve que la production d'énergie des étoiles se fait par fusion nucléaire de l'hydrogène.

Cas du Soleil

Au sein du Soleil, 99 % de l'énergie est fournie par la chaîne proton-proton ; le restant est fourni par le cycle CNO, observé directement en 2020 grâce à l'émission de ses neutrinos[3]. L'énergie fournie par le cycle étant liée à la quantité de carbone, d'azote et d'oxygène présents dans l'étoile, ces observations de neutrinos devraient permettre de mieux estimer la métallicité du Soleil[3].

Références

Sacco 2020.
"Introductory Nuclear Physics", Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, New York, 1988, p.537.
(en) Collaboration Borexino (en), « Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun », Nature, vol. 587,‎ 25 novembre 2020, p. 577-582 (DOI 10.1038/s41586-020-2934-0).

Voir aussi

Bibliographie

: document utilisé comme source pour la rédaction de cet article.

[Sacco 2020] Laurent Sacco, « Des neutrinos du cycle CNO du Soleil ont enfin été observés ! », Futura,‎ 25 juin 2020 (lire en ligne).

Articles connexes

Liens externes

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[Sacco2020-1] Sacco 2020.

[Krane-2] "Introductory Nuclear Physics", Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, New York, 1988, p.537.

[borexino-3] (en) Collaboration Borexino (en), « Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the Sun », Nature, vol. 587,‎ 25 novembre 2020, p. 577-582 (DOI 10.1038/s41586-020-2934-0).