RAYONNEMENT COSMIQUE Rayons cosmiques

Anomalies isotopiques et étoiles Wolf-Rayet

La composition isotopique des rayons cosmiques montre trois anomalies importantes : les isotopes riches en neutrons – néon 22, magnésium 26 + magnésium 25 et silicium 30 + silicium 29 – sont plus abondants aux sources des rayons cosmiques que dans la matière galactique locale ; les facteurs d'enrichissement sont considérables, respectivement 2,9 pour le néon et 1,8 pour le magnésium et le silicium (la mesure est imprécise dans ce dernier cas).

En revanche, les masses atomiques moyennes de sept autres éléments – azote, sodium, aluminium, soufre, calcium, manganèse, fer – ont été trouvées égales à celles qui sont mesurées dans la matière galactique locale.

Ces anomalies importantes semblent montrer que si la majeure partie du rayonnement cosmique a pour origine des étoiles brûlant de l'hydrogène, comme le Soleil, une petite fraction (2 p. 100) aurait pour origine des étoiles évoluées brûlant lentement de l'hélium. Cette hypothèse est confortée par le fait que le carbone est en excès d'un facteur 2 à 3 dans les rayons cosmiques galactiques par rapport aux rayons cosmiques solaires. Des sources adéquates sont probablement les étoiles Wolf-Rayet, étoiles massives qui expulsent un puissant vent stellaire constitué par les produits de la combustion de l'hélium. Cette combustion « calme » synthétise du carbone et/ou de l'oxygène par fusion de trois ou quatre noyaux d'hélium dans le cœur de l'étoile. En même temps, l'addition de deux noyaux d'hélium à l'azote présent produit une surabondance de néon 22 d'un facteur 120 par rapport au néon 20. Or une étoile massive (de 5 à 50 fois la masse du Soleil) nous offre une possibilité unique d'observer directement à sa surface les éléments fraîchement synthétisés. En effet, la perte de masse énorme due au vent stellaire intense dénude le cœur de l'étoile et ce vent injecte dans le milieu interstellaire et, peut-être, dans les rayons cosmiques une quantité importante d'éléments récemment synthétisés. On estime que cette phase de la vie de l'étoile dure de 300 000 à 600 000 ans. La composition de la matière à la surface de ces étoiles Wolf-Rayet est extraordinairement riche en néon 22, en carbone, en oxygène et, dans une moindre mesure, en magnésium 25 et 26.

Dans la phase des étoiles Wolf-Rayet riches en carbone, les anomalies isotopiques rappellent celles des rayons cosmiques et il suffirait que 2 p. 100 environ des rayons cosmiques soient accélérés à partir de la matière provenant de la surface des étoiles Wolf-Rayet pour rendre compte à la fois des anomalies isotopiques du néon 22 et du carbone 12 dans les rayons cosmiques. Si une fraction encore plus faible des rayons cosmiques était accélérée à partir de la matière de la surface des étoiles Wolf-Rayet (dans une phase ultérieure, où le carbone 12 est converti en oxygène 16 et le néon 22 en magnésium 25 et 26), on pourrait aussi rendre compte de l'anomalie du magnésium. En revanche, l'anomalie isotopique du silicium ne peut être expliquée de cette façon, car les étoiles Wolf-Rayet ne produisent à aucun moment de leur évolution du silicium 29 et 30 en quantité équivalente au magnésium 25 et 26. Si cette anomalie est confirmée, il faudra donc faire appel à d'autres sources, comme les éventuelles supernovae riches en métaux (mais celles-ci ne produiraient pas de néon 22...).