Généalogie et nucléosynthèse stellaire

[Floda200489]

Bonjour,

Nous savons que pour que le Soleil ou, plus généralement, le système solaire naisse, il a fallu que plusieurs étoiles meurent avant lui. Ensuite, nous savons aussi que différents processus sont à l'oeuvre pour que certains éléments se créent (nucléosynthèse stellaire/primordiale, explosion de supernova, collision d'étoiles à neutron...) Mais j'aimerai savoir si les éléments qui nous constituent proviennent bien d'une seule et même étoile. Par exemple, l'oxygène est produit en totalité lors d'explosion d'étoiles massives, mais peut-on en conclure que tous les atomes d'oxygène du système sonaire proviennent de l'explosion de la même étoile ? Ou alors plusieurs explosion dans la même région de la galaxie ont pu se mélanger dans la nébuleuse primordiale ?
La question qui suit devait peut-être être posée avant les autres : a-t-on seulement le moyen de le savoir ? ^^'

Merci d'avance !
-----

[Lansberg]

Bonjour,

il y a un scénario concernant l'origine du système solaire qui repose sur l'étude des roches terrestres et des météorites. Pendant longtemps on a proposé que la nébuleuse proto-solaire provenait de l'explosion d'une supernova de type II mais l'étude fine des abondances de certains éléments chimiques des roches et météorites (actinides, or, platine...) a conduit à compléter ce scénario. Pour expliquer l'excès de métaux lourds les astrophysiciens Imre Bartos, de l'université de Floride, et Szabolcs Marka de l'université Columbia suggèrent qu'il y aurait eu une explosion d'une kilonova, à 1000 années lumière de la nébuleuse proto-solaire, résultant de la fusion de deux étoiles à neutrons. Cet événement qui se serait produit 80 millions d'années avant la formation du système solaire aurait "irradié" de neutrons les composants de la nébuleuse, ce qui permettrait d'expliquer (via des simulations informatiques) les abondances constatées.

[Gilgamesh]

En complément des éléments proposés par Lansberg il faut aussi se représenter que les nuages moléculaires géants où se forment les étoiles sont des milieux intrinsèquement turbulents.

Vue d'ensemble : Star formation by collapse of molecular clouds


Egalement cette simulation de collision de nuages ​​moléculaires géants qui se mélangent avant de s'effondrer pour former des étoiles sur ~ 20 Ma
https://vimeo.com/104368279#

[Floda200489]

Merci pour vos réponses

[A voir en vidéo sur Futura]

[Floda200489]

Bonjour,

J'ai de nouvelles questions concernant la généalogie des éléments chimiques et molécules nous entourant :

Pour l'hypothèse de l'impact géant qui aurait créé la Lune, on sait que les compositions respectives de la Terre et de la Lune semblent avoir une origine commune (je précise, je n'ai pas le niveau de connaissances pour appréhender facilement les chiffres en question). Pour aller plus loin, j'ai cru comprendre aussi que les objets du système solaire eux aussi avaient une composition similaire, ce qui aurait notamment aider à calculer l'âge de cette origine commune, mais aussi la question de savoir si d'autres étoiles de la Voie Lactée avaient une composition similaire à celle du Soleil.

J'aimerai savoir donc, s'il est possible de m'expliquer de manière simplifiée, vulgarisée, comment nous arrivons à voir cela ? Sur quels critères se base-t-on ? Les lois de la physiques étant les mêmes partout, les différentes compositions chimiques ne sont donc établies que par l'abondance relative de ces éléments ?

Pour aller plus loin, les objets terrestres (sondes) envoyés sur d'autres astres du système solaire peuvent-ils être identifiés comme provenant de la Terre, même avec les transformations chimiques causées par les humains pour transformer les matériaux ?

Merci d'avance pour les réponses !

[Lansberg]

Bonjour,

....la question de savoir si d'autres étoiles de la Voie Lactée avaient une composition similaire à celle du Soleil.

Bien sûr. Le Soleil n'est pas né tout seul mais au sein d'une nébuleuse dans laquelle ses "sœurs" se sont formées. Ensuite les étoiles se séparent (généralement). On aurait identifié en 2014 une une sœur (ou frère !) du Soleil à une centaine d'années lumière ayant la même composition chimique. Elle se situe dans la constellation d'Hercule et est répertoriée sous le nom HD 162826. Elle est un peu plus massive que le Soleil.

J'aimerai savoir donc, s'il est possible de m'expliquer de manière simplifiée, vulgarisée, comment nous arrivons à voir cela ? Sur quels critères se base-t-on ? Les lois de la physiques étant les mêmes partout, les différentes compositions chimiques ne sont donc établies que par l'abondance relative de ces éléments ?

C'est l'analyse spectroscopique de la lumière de l'étoile qui permet d'identifier les éléments chimiques et leurs abondances. C'est véritablement une des techniques les plus puissantes de l'astrophysique pour explorer l'univers.

Pour aller plus loin, les objets terrestres (sondes) envoyés sur d'autres astres du système solaire peuvent-ils être identifiés omme provenant de la Terre, même avec les transformations chimiques causées par les humains pour transformer les matériaux ?

Je suppose qu' ET découvrant une sonde sur une planète du système solaire se douterait que ça vient de la Terre parce que notre présence ne lui aurait pas échappée. Ce serait le plus plausible.
Maintenant sans avoir ce renseignement, l'analyse chimique ne pourrait pas montrer que ça vient de note planète puisqu'on trouve les mêmes éléments chimiques ailleurs.

[Floda200489]

Bien sûr. Le Soleil n'est pas né tout seul mais au sein d'une nébuleuse dans laquelle ses "sœurs" se sont formées. Ensuite les étoiles se séparent (généralement). On aurait identifié en 2014 une une sœur (ou frère !) du Soleil à une centaine d'années lumière ayant la même composition chimique. Elle se situe dans la constellation d'Hercule et est répertoriée sous le nom HD 162826. Elle est un peu plus massive que le Soleil.

Oui, c'est d'ailleurs pour cette raison que cette jumelle était une cible intéressante pour moi, au télescope ^^' Mais alors, si les objets du système solaire, et par extension des systèmes issus d'étoiles jumelles au Soleil ont des compositions similaires, qu'est-ce qui indique clairement une origine commune ? Est-ce l'abondance relative de certains éléments ? Certains isotopes ? Certaines molécules ? Qu'est-ce que l'on regarde concrètement pour déterminer l'origine commune ? J'imagine que les simples éléments chimiques ce n'est pas assez...

Justement, si nous parvenons à déterminer qu'une météorite provient de Mars ou de la Lune, est-ce que l'on fait au préalable un tri des matériaux communs ? Communs du fait que cela provient d'un même système ? Et pour aller plus loin, un autre système stellaire avec un autre cortège de planète aurait-il des différences de compositions clairement identifiables ?

C'est l'analyse spectroscopique de la lumière de l'étoile qui permet d'identifier les éléments chimiques et leurs abondances. C'est véritablement une des techniques les plus puissantes de l'astrophysique pour explorer l'univers.

Oui, là dessus ça va, pardon, ma question n'était pas assez précise. J'aimerai juste savoir ce que l'on regarde précisément. Par exemple, on ne va pas regarder l'hydrogène, si ? Parce que toutes les étoiles en ont. Donc quels sont les critères spécifiques que l'on regarde ?

Je peux faire une analogie avec les analyses génétiques. Pour comparer l'ADN des individus, on isole les séquences qui sont susceptibles d'être différentes, puisque tous les êtres vivants sur Terre ont de l'ADN en commun.

Je suppose qu' ET découvrant une sonde sur une planète du système solaire se douterait que ça vient de la Terre parce que notre présence ne lui aurait pas échappée. Ce serait le plus plausible.
Maintenant sans avoir ce renseignement, l'analyse chimique ne pourrait pas montrer que ça vient de note planète puisqu'on trouve les mêmes éléments chimiques ailleurs.

Justement, je me demande si nos transformations chimiques, au delà des simples éléments, mais en ce qui concerne les molécules par exemple, ne trouve-t-on pas des compositions moléculaires uniquement sur Terre qui se retrouveraient dans nos sondes et qu'on ne retrouverait nulle part ailleurs ?

[Lansberg]

Bonsoir,

Oui, c'est d'ailleurs pour cette raison que cette jumelle était une cible intéressante pour moi, au télescope ^^' Mais alors, si les objets du système solaire, et par extension des systèmes issus d'étoiles jumelles au Soleil ont des compositions similaires, qu'est-ce qui indique clairement une origine commune ? Est-ce l'abondance relative de certains éléments ? Certains isotopes ? Certaines molécules ? Qu'est-ce que l'on regarde concrètement pour déterminer l'origine commune ? J'imagine que les simples éléments chimiques ce n'est pas assez...

Oui, là dessus ça va, pardon, ma question n'était pas assez précise. J'aimerai juste savoir ce que l'on regarde précisément. Par exemple, on ne va pas regarder l'hydrogène, si ? Parce que toutes les étoiles en ont. Donc quels sont les critères spécifiques que l'on regarde ?

Ce sont bien les abondances des éléments chimiques qui sont mesurées. Bien évidemment il est impossible de prendre en compte tout le tableau des éléments. Le fer par ses nombreuses raies d'absorption permet de mesurer le rapport Fe/H et de comparer au Soleil. Il doit y avoir pas loin de 40 raies (pour le fer neutre et le fer ionisé une fois) qui sont identifiées et qui permettent de retenir des candidates pour les étoiles semblables ou les étoiles jumelles (plus rares) du soleil. D'autres éléments chimiques comme le calcium, le baryum, l'yttrium sont aussi utilisés pour affiner la recherche.
La dynamique des étoiles est aussi étudiée. À partir des données du satellite Hipparcos (et surement de Gaïa maintenant), il est possible de remonter dans le passé pour vérifier si les étoiles candidates étaient dans la même région de la galaxie à une époque donnée.
D'autres critères comme la température de surface ou l'intensité de la gravité sont aussi prises en compte.

Justement, je me demande si nos transformations chimiques, au delà des simples éléments, mais en ce qui concerne les molécules par exemple, ne trouve-t-on pas des compositions moléculaires uniquement sur Terre qui se retrouveraient dans nos sondes et qu'on ne retrouverait nulle part ailleurs ?

Impossible de répondre à ça. C'est trop vague.

[Floda200489]

D'accord, merci pour tes réponses !

[Gilgamesh]

La recherche de la fratrie du Soleil fait bien intervenir la dynamique + la spectro.

The solar siblings in the Gaia era
CA Martínez-Barbosa , AGA Brown , S. Portegies Zwart
Abstract
Nous effectuons des simulations réalistes de l'amas de naissance du Soleil afin de prédire la distribution actuelle des frères et sœurs solaires dans la Galaxie. Nous étudions la possibilité de trouver les frères solaires dans le catalogue Gaia en utilisant uniquement les informations de position et de cinématique. Nous constatons que le nombre de frères et sœurs solaires qui devraient être observés par Gaia sera d'environ 100 dans le cas le plus optimiste, et qu'une recherche dans l'espace des phases uniquement dans le catalogue Gaia sera extrêmement difficile. Il est donc obligatoire de combiner la technique de marquage chimique avec des critères de sélection d'espace de phase afin d'avoir un espoir de trouver les frères solaires.

[Lansberg]

Merci pour cette publication qui souligne bien la difficulté d'identifier les étoiles "sœurs" du Soleil.
Depuis sa parution, l'idée de la perturbation du nuage de gaz et de poussière primordial par l'explosion d'une supernova serait remplacé par une fusion d'étoiles à neutrons à l'origine d'une kilonova. Les abondances de certains métaux rares comme l'or ou l'iridium s'expliquerait mieux par ce type d'événement.

[Floda200489]

En complément des éléments proposés par Lansberg il faut aussi se représenter que les nuages moléculaires géants où se forment les étoiles sont des milieux intrinsèquement turbulents.

Vue d'ensemble : Star formation by collapse of molecular clouds


Egalement cette simulation de collision de nuages ​​moléculaires géants qui se mélangent avant de s'effondrer pour former des étoiles sur ~ 20 Ma
https://vimeo.com/104368279#

Une autre question est survenue depuis ce message : on sait donc que les étoiles se forment par effondrement d'un nuage, et les planètes, plutôt par accrétion autour d'une étoile. Mais pour les étoiles double par exemple, peut-on supposer que l'une s'est formée avant l'autre, par effondrement, et que l'autre s'est formée plus tard autour de sa voisine, par accrétion ?

Je me demande cela à cause de Jupiter. Bien qu'on entende souvent à tort et à travers le fait qu'elle est une étoile ratée, je me demande, s'il y avait eu suffisamment de matière pour en faire une étoile, cela aurait donc été une étoile créée par accrétion et non par effondrement ?

Symétriquement, peut-on imaginer des "résidus" de nuages s'effondrant et donnant naissance à des planètes car pas assez massifs ? Je sais que c'est sans doute le processus pour les naines brunes, mais pour les planètes, c'est possible ?

Merci !

[Gilgamesh]

Une autre question est survenue depuis ce message : on sait donc que les étoiles se forment par effondrement d'un nuage, et les planètes, plutôt par accrétion autour d'une étoile. Mais pour les étoiles double par exemple, peut-on supposer que l'une s'est formée avant l'autre, par effondrement, et que l'autre s'est formée plus tard autour de sa voisine, par accrétion ?

Je me demande cela à cause de Jupiter. Bien qu'on entende souvent à tort et à travers le fait qu'elle est une étoile ratée, je me demande, s'il y avait eu suffisamment de matière pour en faire une étoile, cela aurait donc été une étoile créée par accrétion et non par effondrement ?

Symétriquement, peut-on imaginer des "résidus" de nuages s'effondrant et donnant naissance à des planètes car pas assez massifs ? Je sais que c'est sans doute le processus pour les naines brunes, mais pour les planètes, c'est possible ?

Merci !

De façon générale, la capture gravitationnelle d'un astre par un autre est très compliquée à envisager. La fréquence élevée des systèmes multiples (binaires ou plus) s'explique en revanche assez facilement en remontant aux fondements de la genèse stellaire.

J'ai résumé ça ici : formation stellaire

Si on résume, on prend un nuage de température T et de densité ρ. La masse qui s'effondre d'un seul tenant sous l'effet de la gravité est la masse de Jeans M. Elle est proportionnelle à la (puissance 3/2 de la) température et à l'inverse de la (racine carrée de la) densité.

M ~ √(T³/ρ)

Durant la première phase de l'effondrement la température est constante (phase isotherme) tandis que la densité augmente => la masse de Jeans diminue. Chaque masse de Jeans connait un effondrement séparé et le nuage se fragmente. Ces masses qui s'effondrent de concert et côte à côte ont toutes les chances de former des systèmes liés, et c'est pour ça que les systèmes multiples sont fréquents.

Pour la deuxième partie de la question, oui c'est envisagé que des géantes gazeuses se forment par effondrement direct mais avec ce qui précède tu vois qu'il faut trouver des moyens de refroidir le gaz.

[Floda200489]

Je viens de me rendre compte que la formule de politesse de base est passée à la trappe lors d'une erreur de manipulation du système de citation, donc Bonjour en retard, avec des excuses

Merci pour ta réponse ! Mais cela m'amène toujours à d'autres questions ^^'

Par rapport aux naines brunes, je ne comprends pas bien en quoi il s’agit d’une catégorie à part des étoiles ou des planètes. L’intermédiaire oui, mais pourquoi ce ne serait pas soit une étoile soit une planète ?
Quand on me dit que c’est un astre pouvant fusionner le deutérium, je me demande pourquoi ne s’agit-il pas d’une étoile, puisque la fusion est à l’oeuvre. En quoi la fusion du deutérium est quelque chose de spécial par rapport à la fusion de l’hydrogène ? (le deutérium étant de l’hydrogène).
Et à l’inverse, si on me dit que c’est trop petit pour être une étoile, je me demande pourquoi ce n’est donc pas tout simplement une planète.
J’ai dû lire à divers endroits que la fusion ne durait pas très longtemps et qu’elle “s'éteignait”. J’ai aussi lu que la fusion du deutérium n’était qu’une étape dans le cycle proton-proton. Tout cela a-t-il un rapport avec mon interrogation ?

Autre question : comment connaissons-nous les chaînes de désintégration dans les processus de fusion, et dans la radioactivité des certains éléments chimiques ? Est-ce de l’observation directe ? La reproduction en laboratoire ?

Merci

[Gilgamesh]

Je viens de me rendre compte que la formule de politesse de base est passée à la trappe lors d'une erreur de manipulation du système de citation, donc Bonjour en retard, avec des excuses

Merci pour ta réponse ! Mais cela m'amène toujours à d'autres questions ^^'

Par rapport aux naines brunes, je ne comprends pas bien en quoi il s’agit d’une catégorie à part des étoiles ou des planètes. L’intermédiaire oui, mais pourquoi ce ne serait pas soit une étoile soit une planète ?
Quand on me dit que c’est un astre pouvant fusionner le deutérium, je me demande pourquoi ne s’agit-il pas d’une étoile, puisque la fusion est à l’oeuvre. En quoi la fusion du deutérium est quelque chose de spécial par rapport à la fusion de l’hydrogène ? (le deutérium étant de l’hydrogène).
Et à l’inverse, si on me dit que c’est trop petit pour être une étoile, je me demande pourquoi ce n’est donc pas tout simplement une planète.
J’ai dû lire à divers endroits que la fusion ne durait pas très longtemps et qu’elle “s'éteignait”. J’ai aussi lu que la fusion du deutérium n’était qu’une étape dans le cycle proton-proton. Tout cela a-t-il un rapport avec mon interrogation ?

Tu as déjà tous les éléments factuels. Le deutérium représente ~20 ppm dans le gaz galactique comparé à l'hydrogène. Donc l'étoile qui n'a que ça comme carburant va avoir un cycle de production d'énergie anémié et raccourci. Comme le critère est bien défini par les conditions centrales, elles même bien contraintes par la masse, on peut donc catégoriser l'astre rigoureusement. Et en science, plus les concepts distincts et bien définis sont nombreux, meilleurs c'est.

Dans le cycle proton-proton, la réaction "dure" celle qui prend du temps, c'est la formation du deutérium par fusion de 2 protons, car il faut une décroissance par intéraction faible d'un proton en neutron pour que la réaction se produise, et ça donne au proton une demi-vie qui se chiffre en milliards d'années dans le Soleil. Une fois le noyau de deutérium formé, sa demi-vie est de qq seconde, il se transforme rapidement en He-3 par capture de proton.

Autre question : comment connaissons-nous les chaînes de désintégration dans les processus de fusion, et dans la radioactivité des certains éléments chimiques ? Est-ce de l’observation directe ? La reproduction en laboratoire ?

Merci

Pour reconstituer tous les scénarios de fusion dans les étoiles (et y'en a plein : proton-proton qui comporte 3 sous-chaines PP1, PP2, PP3, les réactions catalytiques CNO, la réaction de formation du carbone dite triple-alpha...) il faut disposer de la section efficace d'interaction. Et pour ça, il n'y a que l'expérimentation avec des collisionneurs de particule pour pouvoir les mesurer. Ce sont les progrès de la physique atomique suite au projet Manhattan qui ont permis de progresser substantiellement.

[Floda200489]

Parfait, je te remercie pour tes réponses