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-WeizsäckerModèle:Sfn, 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.
Cycle principal : CNO - I
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<ref name="Krane">"Introductory Nuclear Physics", Kenneth S. Krane, John Wiley & Sons, New York, 1988, p.537.</ref> :
Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + [[Rayon gamma|Modèle:Mvar]] + Modèle:Unité Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + e+ + [[Neutrino électronique|Modèle:Mvare]] + Modèle:Unité Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + [[Rayon gamma|Modèle:Mvar]] + Modèle:Unité Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + [[Rayon gamma|Modèle:Mvar]] + Modèle:Unité Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + e+ + [[Neutrino électronique|Modèle:Mvare]] + Modèle:Unité Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide + Modèle:Unité
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 [[Oxygène 16|Modèle:16O]] (accompagnée d'une [[radioactivité γ|émission Modèle:Mvar]]). 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 [[Oxygène 16|Modèle:16O]].
Il apparaît alors d'autres réactions possibles, des protons avec l'oxygène produit, ainsi bien sûr qu'avec l'oxygène initialement présent :
Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + [[Rayon gamma|Modèle:Mvar]] + Modèle:Unité Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + [[Rayon gamma|Modèle:Mvar]] + Modèle:Unité Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + e+ + [[Neutrino électronique|Modèle:Mvare]] + Modèle:Unité Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide + Modèle:Unité
Il se produit alors un équilibre entre les proportions relatives de l'oxygène ([[Oxygène 16|Modèle:16O]] et [[Oxygène 17|Modèle:17O]]) et de l'azote (14N et 15N) selon la fréquence des réactions.
La branche principale du cycle CNO est connue comme CNO-Modèle:Rom-maj, la branche mineure comme CNO-Modèle:II. Deux autres branches, CNO-Modèle:III et CNO-Modèle:IV, sont significatives seulement dans les étoiles de forte masse. Elles ont lieu quand la dernière réaction du cycle CNO-Modèle:II produit de l'oxygène [[Oxygène 18|Modèle:18O]] par désintégration β+ (et une [[radioactivité γ|relaxation Modèle:Mvar]]), au lieu de l'azote 14N et d'un rayonnement α 4He ; à partir du noyau instable de fluor 18.
Modèle:Nucléide + Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide Modèle:Nucléide ⟶ Modèle:Nucléide + e+ + [[Neutrino électronique|Modèle:Mvare]] + [[Rayon gamma|Modèle:Mvar]].
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<ref name ="borexino">Modèle:Article.</ref>. 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<ref name = "borexino"/>.
