Des physiciens de l'Institut de Physique Moderne de l'Académie chinoise des sciences (CAS) ont mesuré directement les masses de deux noyaux atomiques extrêmement instables, le phosphore-26 et le soufre-27 (demi-vies de 43 ms et 15 ms respectivement). Ces mesures de haute précision fournissent des données essentielles au calcul des taux de réactions nucléaires lors des sursauts de rayons X des étoiles à neutrons. Cela permet de mieux comprendre comment les éléments chimiques sont créés dans certains des environnements les plus extrêmes de l'univers. Les résultats de l'étude ont été publiés dans The Astrophysical Journal.
Les sursauts de rayons X de type I sont produits par des explosions thermonucléaires intenses et récurrentes qui sont observées dans toute la galaxie. Ils se produisent généralement dans les systèmes binaires X de faible masse, où une étoile à neutrons dense attire la matière d'une étoile compagne proche.
L'étoile à neutrons accrète de la matière riche en hydrogène et en hélium provenant de l'étoile donneuse, formant une couche d'accrétion à sa surface. Lorsque la température et la densité de cette couche atteignent certains seuils, une réaction thermonucléaire s'emballe, déclenchant les sursauts de rayons X. Les résidus de la combustion nucléaire restent à la surface et contribuent à la composition chimique de la surface de l'étoile à neutrons, comme l'ont montré Z. Meisel et al. en 2018. Lors des sursauts de rayons X, une série de réactions (p,γ) rapides se produisent, au cours desquelles un nucléide de nombre de masse A − 1 et de numéro atomique Z − 1 capture un proton pour former le nucléide ( A , Z ), avec émission de rayons γ. On l'appelle le processus rp. Le facteur Q de cette réaction de capture de proton est égal à l'énergie de séparation du proton du noyau produit, déterminée par la différence de masse des nucléides impliqués : Sp = M (A-1, Z-1) + M (p) − M (A, Z). Une énergie de séparation du proton faible, voire négative, caractérise les noyaux faiblement liés impliqués dans les réactions (p,γ). Par conséquent, les processus de photodésintégration intenses établissent un équilibre dynamique (p,γ) - (γ,p) entre les isotones. Par exemple, dans des conditions d'équilibre, le rapport d'abondance entre 26P et 27S dépend exponentiellement de Sp et de la température T.
La vitesse de ces réactions et les voies nucléaires prédominantes dépendent donc fortement des masses exactes des noyaux impliqués. De nombreux noyaux impliqués dans le processus rp se situent à proximité de la limite de stabilité protonique, ce qui signifie qu'ils sont extrêmement instables et se désintègrent très rapidement. Du fait de leur courte durée de vie, leurs masses ont souvent été mal connues, voire jamais mesurées. Ce manque de données a rendu difficile la modélisation précise des réactions nucléaires lors des sursauts de rayons X de ce type.
Les physiciens débattent depuis des années de l'importance d'une voie réactionnelle impliquant le phosphore-26 et le soufre-27 dans le processus rp. Cette incertitude provient principalement de mesures de masse manquantes ou imprécises pour ces noyaux. C'est pour résoudre ce problème que l'équipe de Z. Chen a cherché a mesurer directement la masse du phosphore-26 et du soufre-27 par spectrométrie de masse isochrone à rigidité magnétique. Les expériences ont été réalisées sur l'anneau de stockage du Centre de recherche sur les ions lourds de Lanzhou (HIRFL-CSR).
Les excès de masse qu'ils ont déterminés valent 17 437 keV pour le 27S et à 10 997 keV pour le 26P. Ces valeurs donnent une énergie de séparation du proton de 849 ± 26 keV pour le 27S, soit une précision huit fois supérieure à la valeur précédente de 581 ±214 keV. Les mesures révèlent que l'énergie de séparation des protons du soufre-27 est supérieure de 129 à 267 keV aux estimations précédentes.
À partir de ces valeurs de masse mises à jour, les chercheurs ont pu recalculer le déroulement des réactions nucléaires lors des sursauts de rayons X à la surface des étoiles à neutrons. Chen et ses collaborateurs ont évalué le taux de réaction thermonucléaire 26P(p,γ)27S dans des conditions de sursaut de rayons X. Ce taux est amélioré dans la gamme de températures de 0,4 à 2 GK, atteignant jusqu'à cinq fois le taux précédent à 1 GK. L'incertitude sur le taux de réaction inverse 27S (γ,p) 26P est quant à elle considérablement réduite grâce aux nouveaux résultats de masse de haute précision, passant de plus de dix ordres de grandeur à moins d'un.
De ce fait, les modèles prévoient une plus grande abondance de soufre-27 par rapport au phosphore-26, ce qui indique que la matière nucléaire s'écoule plus efficacement vers le soufre-27 lors de ces explosions stellaires. Ainsi, ces résultats de masse de haute précision et le nouveau taux de réaction correspondant fournissent des données plus fiables pour les réseaux de réactions astrophysiques. Ils résolvent les incertitudes dans les voies de nucléosynthèse au sein de la région phosphore-soufre des sursauts de rayons X.
Théoriquement, le 26P est produit à partir de 25Si par une réaction de capture de proton radiative (p,γ), et le 27S se désintègre quant à lui en 27P par émission béta+, ce qui permet de produire indirectement du 27P à partir du 25Si. Mais la structure résonante du 27S demeure la principale incertitude, faute de données expérimentales. Chen et ses collaborateurs recommandent donc en conclusion que de futures mesures spectroscopiques de haute précision soient effectuées sur le 27S afin d'encore mieux contraindre les modèles théoriques des sursauts de rayons X.
Source
Precision Mass Measurement of 26P and 27S and Their Impact on the 26P(p,γ)27S Reaction in Stellar X-Ray Bursts
Z. Y. Chen, et al.
The Astrophysical Journal, Volume 994, Number 2 (1 december 2025)
Illustration
Vue d'artiste d'un sursaut X d'une étoile à neutrons (Chutterstock).
