La détection de neutrinos solaires particuliers confirmerait l’une des prédictions majeures sur la dynamique des étoiles

Comme toutes les étoiles, le Soleil est alimenté par des réactions thermonucléaires prenant place dans son noyau. Il existe deux types de fusion nucléaire transformant l’hydrogène en hélium selon les modèles théoriques : la réaction proton-proton, et le cycle carbone-azote-oxygène (CNO) ; la première étant la réaction principale des étoiles de masse inférieure ou égale à celle du Soleil, et la seconde la réaction principale des étoiles plus massives. Récemment, l’expérience Borexino a détecté pour la toute première fois des neutrinos solaires provenant du cycle CNO. Un résultat extrêmement important pour mieux comprendre la structure et la dynamique du Soleil, ainsi que celles des autres étoiles.

La détection confirme des prédictions théoriques vieilles de plusieurs décennies selon lesquelles une partie de l’énergie solaire est produite par une chaîne de réactions impliquant des noyaux de carbone et d’azote. Ce processus fusionne quatre protons pour former un noyau d’hélium, qui libère deux neutrinos ; ainsi que d’autres particules subatomiques et de grandes quantités d’énergie.

Cette réaction carbone-azote-oxygène (CNO) n’est pas la seule voie de fusion du Soleil : elle produit moins de 1% de l’énergie solaire. Mais on pense que c’est la source d’énergie dominante dans les grandes étoiles. Les résultats marquent la première détection directe des neutrinos de ce processus. « Il est intellectuellement fascinant de confirmer l’une des prédictions fondamentales de la théorie de la structure stellaire », explique Marc Pinsonneault, astrophysicien à l’Ohio State University.

Borexino : l’expérience qui traque les neutrinos par l’effet Tcherenkov

Les résultats, qui n’ont pas encore été examinés par des pairs, ont été rapportés par l’expérience souterraine de Borexino dans le centre de l’Italie, lors de la conférence virtuelle Neutrino 2020. « Avec ce résultat, Borexino a complètement démêlé les deux processus qui alimentent le Soleil », indique le co-porte-parole de Borexino Gioacchino Ranucci, physicien à l’Université de Milan. Les résultats sont une étape finale pour Borexino, qui prend toujours des données mais pourrait maintenant fermer d’ici un an.

L’expérience Borexino sur les neutrinos solaires occupe un hall sous plus d’un kilomètre de roche dans les laboratoires nationaux du Gran Sasso près de L’Aquilla, en Italie, où elle est opérationnelle depuis 2007. Le détecteur consiste en un ballon géant en nylon rempli de 278 tonnes d’hydrocarbures liquides, qui est immergé dans l’eau. La grande majorité des neutrinos du Soleil traversent la Terre en ligne droite, mais un petit nombre rebondit sur les électrons dans les hydrocarbures, produisant des éclairs de lumière (effet Tcherenkov) qui sont captés par des capteurs de photons qui tapissent le réservoir d’eau.

Désintégration du bismuth-210 et neutrinos solaires : un long travail de démêlage

Les neutrinos de la chaîne de réaction du CNO du Soleil sont relativement rares, car ils ne sont responsables que d’une petite fraction de la fusion solaire. De plus, les neutrinos du CNO sont faciles à confondre avec ceux produits par la désintégration radioactive du bismuth-210, un isotope qui s’échappe du nylon du ballon dans le mélange d’hydrocarbures.

Bien que la contamination existe en concentrations extrêmement faibles — au plus quelques dizaines de noyaux de bismuth se désintègrent par jour à l’intérieur de Borexino —, la séparation du signal solaire du bruit de bismuth a nécessité un effort minutieux qui a commencé en 2014. Le bismuth-210 ne pouvait pas être empêché de fuir du ballon, l’objectif était donc de ralentir la vitesse à laquelle l’élément s’infiltrait au milieu du fluide, tout en ignorant les signaux provenant du bord extérieur.

Pour ce faire, l’équipe a dû contrôler tout déséquilibre de température à travers le réservoir, ce qui produirait de la convection et mélangerait son contenu plus rapidement. Pour maintenir les hydrocarbures à une température constante et uniforme, ils ont enveloppé l’ensemble du réservoir dans une couverture isolante et installé des échangeurs de chaleur pour équilibrer automatiquement la température. Puis ils ont attendu.

Ce n’est qu’en 2019 que le bruit du bismuth est devenu suffisamment silencieux pour que le signal neutrino se détache. Début 2020, les chercheurs avaient rassemblé suffisamment de particules pour affirmer définitivement qu’ils avaient détecté des neutrinos de la chaîne de fusion nucléaire du CNO. « C’est la première preuve vraiment directe que la combustion de l’hydrogène par le CNO opère dans les étoiles », explique Aldo Serenelli, astrophysicien à l’Institut des sciences spatiales de Barcelone.

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Mieux comprendre la structure du noyau solaire

En plus de confirmer les prédictions théoriques sur ce qui alimente le Soleil, la détection des neutrinos du CNO pourrait éclairer la structure de son noyau — en particulier les concentrations d’éléments que les astrophysiciens appellent les métaux (quelque chose de plus lourd que l’hydrogène et l’hélium). Les quantités de neutrinos vues par Borexino semblent cohérentes avec les modèles standard dans lesquels la « métallicité » du cœur du Soleil est similaire à celle de sa surface. Mais des études plus récentes ont commencé à remettre en question cette hypothèse.

Ces études suggèrent que la métallicité est plus faible. Et comme ces éléments régulent la vitesse de diffusion de la chaleur à partir du cœur du Soleil, cela implique que le cœur est légèrement plus froid que les estimations précédentes. La production de neutrinos est extrêmement sensible à la température et, pris ensemble, les différentes quantités de neutrinos vues par Borexino semblent être cohérentes avec les anciennes valeurs de métallicité.

Comme explication possible, certains astrophysiciens ont suggéré que le noyau a une métallicité plus élevée que les couches externes. Sa composition pourrait en révéler davantage sur les premiers stades de la vie du Soleil, avant que la formation des planètes ne retire certains des métaux qui s’accumulaient sur la jeune étoile.