Combustion de l'hydrogène et de l'hélium

Les deux réactions qui alimentent la grande majorité des étoiles sont la fusion de l'hydrogène en hélium et, plus tard, la fusion de l'hélium en carbone ; ensemble, elles produisent la majeure partie de l'énergie d'une étoile et les premiers éléments lourds.

Definition

La combustion de l'hydrogène est la fusion de quatre noyaux d'hydrogène en un noyau d'hélium qui alimente les étoiles de la séquence principale, et la combustion de l'hélium est la fusion subséquente de noyaux d'hélium en carbone et oxygène dans les étoiles évoluées.

Scope

Le sujet aborde la combustion de l'hydrogène par la chaîne proton-proton qui prédomine dans les étoiles de faible masse et le cycle carbone-azote-oxygène (CNO) qui prédomine dans les étoiles plus massives, la sensibilité de ces réactions à la température, et la combustion de l'hélium par le processus triple-alpha ainsi que la capture alpha qui produit de l'oxygène.

Core questions

• Comment les étoiles fusionnent-elles l'hydrogène en hélium ?
• Pourquoi la chaîne proton-proton prédomine-t-elle dans certaines étoiles et le cycle CNO dans d'autres ?
• Comment trois noyaux d'hélium peuvent-ils se combiner pour former du carbone ?
• Pourquoi la combustion de l'hydrogène et de l'hélium est-elle si sensible à la température ?

Key concepts

• chaîne proton-proton
• cycle CNO
• processus triple-alpha
• état de Hoyle
• effet tunnel quantique
• pic de Gamow
• capture alpha

Key theories

Combustion de l'hydrogène : chaîne proton-proton et cycle CNO

Les étoiles convertissent l'hydrogène en hélium soit par la chaîne proton-proton, où les protons fusionnent directement par étapes, soit par le cycle CNO, où le carbone, l'azote et l'oxygène agissent comme catalyseurs ; le cycle CNO est beaucoup plus sensible à la température et prédomine dans les étoiles plus chaudes et massives.

Combustion de l'hélium par le processus triple-alpha

À des températures plus élevées, trois noyaux d'hélium fusionnent en carbone-12 via un intermédiaire béryllium-8 de courte durée et un état excité résonant du carbone prédit par Hoyle ; une capture alpha supplémentaire produit de l'oxygène, établissant le rapport carbone-oxygène dans l'univers.

Mechanisms

Les noyaux chargés se repoussent mutuellement par interaction électrostatique, ainsi, la fusion ne se produit que par effet tunnel quantique aux températures élevées des cœurs stellaires, rendant les taux de réaction fortement dépendants de la température. La combustion de l'hydrogène construit lentement un cœur d'hélium ; une fois que ce cœur atteint environ cent millions de kelvins, la réaction triple-alpha déclenche la combustion de l'hélium en carbone et oxygène.

Clinical relevance

Ces réactions déterminent la production d'énergie, la structure et la durée de vie des étoiles de la séquence principale et des étoiles géantes, fixent la luminosité solaire qui réchauffe la Terre, et produisent l'hélium, le carbone et l'oxygène qui ensemencent le reste de la chimie cosmique ; la chaîne proton-proton solaire est également la source des neutrinos utilisés pour tester les modèles stellaires.

History

Bethe et von Weizsäcker ont élaboré la chaîne proton-proton et le cycle CNO à la fin des années 1930, identifiant la combustion de l'hydrogène comme source d'énergie stellaire, et dans les années 1950, Salpeter et Hoyle ont établi le processus triple-alpha, Hoyle ayant prédit la résonance du carbone, confirmée ultérieurement en laboratoire.

Key figures

• Hans Bethe
• Carl Friedrich von Weizsacker
• Fred Hoyle
• Edwin Salpeter

Seminal works

• bethe1939
• clayton1983

Frequently asked questions

Pourquoi le Soleil ne fusionne-t-il pas tout son hydrogène en une seule fois ?

Le taux de fusion dépend fortement de la température et est autorégulé : si le cœur se réchauffait, il se dilaterait et se refroidirait, ralentissant la fusion. Ainsi, le Soleil brûle son hydrogène de manière stable sur des milliards d'années plutôt que de manière incontrôlée.

Qu'est-ce que l'état de Hoyle ?

C'est un niveau d'énergie excité spécifique du noyau de carbone-12 dont Fred Hoyle a prédit l'existence, car le processus triple-alpha ne pourrait autrement pas produire suffisamment de carbone ; sa découverte expérimentale ultérieure a confirmé comment la combustion de l'hélium construit le carbone dans les étoiles.