Un réacteur nucléaire naturel dans le manteau terrestre ?

Il y a quelques années, Marvin Herndon avait créé la polémique en proposant l’existence d’un réacteur nucléaire naturel dans le noyau de la Terre. Celui-ci devait alimenter en énergie la dynamo à l’origine du champ magnétique terrestre. Deux chercheurs proposent aujourd’hui l’existence d’un tel réacteur à la base du manteau.

L’idée d’un réacteur nucléaire d’origine non humaine fonctionnant à l’intérieur de la Terre peut sembler absurde. Pourtant, elle ne l’est pas... Il existe en effet une preuve indiscutable que le phénomène est possible. Dans la mine d’uranium d’Oklo, en République Gabonaise, ont été retrouvés les résidus d’une réaction de fission nucléaire auto-entretenue s’étant déroulée dans la roche il y a environ 1,7 milliard d’années.

La découverte date de juin 1972, lorsque l'on a constaté qu’une partie du minerai était anormalement pauvre en ²³⁵U. Il fallut rapidement se rendre à l’évidence, comme le montrèrent les analyses ultérieures : pendant plus de 400.000 ans une série de petits réacteurs nucléaires naturels avaient spontanément démarré puis fonctionné pendant de longues périodes. Originellement dispersé dans du grès, de l’uranium 235 s’était retrouvé rassemblé dans certaines zones jusqu’à atteindre la concentration nécessaire au démarrage de la fission. La présence de circulation d’eau avait servi de modérateur et permis aux réactions en chaîne de se produire lentement mais de façon stable.

D'Oklo à l'intérieur de la Terre en passant par Jupiter

En 1992, le chimiste nucléaire Marvin Herndon avait proposé l’existence d’un réacteur nucléaire naturel semblable à ceux d’Oklo à l’intérieur de Jupiter et d’autres planètes géantes. On sait en effet que ces planètes sont plus actives qu’on ne le pensait et qu’elles rayonnent plus d’énergie qu’elles n’en reçoivent du Soleil. Il n’est pas sûr que la simple contraction gravitationnelle selon le mécanisme de Kelvin-Helmoltz, jointe à des processus de changement de phase, comme la condensation de l’hélium, soient à l’origine d’un dégagement suffisant d’énergie pour expliquer les observations.

Herndon avait ensuite étendu ses idées au cas de la Terre en imaginant que l’énergie animant les courants de convection dans le noyau n’était pas due uniquement à la cristallisation lente et continue de la graine. La plupart des géophysiciens et des géochimistes sont restés sceptiques, car il est difficile de croire que le noyau ait pu s’enrichir suffisamment en éléments radioactifs. En effet, selon la composition minéralogique et les conditions physiques, certains éléments peuvent ou non se retrouver associés dans une roche.

Une variante de cette idée vient d’être relancée par le physicien Rob de Meijer de l’University of the Western Cape, Cape Town (Afrique du Sud) et par le géochimiste Wim van Westrenen de la Free University of Amsterdam. Ce ne serait pas dans le noyau mais dans certaines zones à la base du manteau, juste au-dessus de l’interface noyau-manteau, que de l’uranium pourrait s’être accumulé pour former des réacteurs nucléaires naturels.

Les deux chercheurs s’appuient sur une découverte récente de Maud Boyet et Richard Carlson selon laquelle le manteau de la Terre s’est différencié plus rapidement que ce que l’on croyait. Basée sur la comparaison des abondances de ¹⁴²Nd, un isotope du néodyme, dans les roches terrestres et les chondrites, cette percée dans l’histoire de la Terre primitive implique justement qu’à la frontière noyau-manteau devrait se trouver un réservoir riche en uranium, thorium et potassium, des éléments radioactifs à longue durée de vie dégageant de la chaleur.

Selon De Meijer et van Westrenen, l’uranium pourraient facilement s’accumuler dans la perovskite riche en calcium que l’on trouve à la base du manteau. La concentration à atteindre pour obtenir une réaction en chaîne est encore 20 fois plus importante que ce qui semble possible dans ce silicate mais, selon eux, l’écart n’est pas suffisamment grand pour exclure que le phénomène puisse s’y produire. Les réacteurs nucléaires du manteau, s'ils existent, pourraient même fonctionner comme des surgénérateurs et produire du plutonium. En outre, les produits des réactions contiendraient de l’hélium et du xénon, ce qui pourrait expliquer des anomalies constatées dans les laves remontant en surface au niveau des points chauds.

Comment savoir si cette théorie plutôt spéculative est exacte ? Peut-être grâce aux détecteurs géants de neutrinos. Ces derniers en cartographiant un jour les zones d’émissions d’antineutrinos à l’intérieur de la Terre pourraient en effet permettre de localiser des régions où les réactions de désintégrations radioactives produisant ces particules sont particulièrement importantes.

地幔中的天然核反应堆？


Laurent Sacco 报导

若干年前，Marvin Herndon提出过地核可能有核反应堆的想法，激起一番论战。这种核反应堆可以作为地球活动的能源，同时也能解释地球磁场的来由。今天，两位研究人员提出地幔中也可能有这么一个核反应堆。




乍看起来，地内非人工核反应堆的想法极度荒唐。然而并非如此……实际上一个无可争议的证据指出了它的可能性。在加蓬共和国的Oklo铀矿里，人们发现了自发核裂变反应的残留物，估计是在17亿年前。







这项发现要追溯到1972年的六月，当时人们注意到一部分矿石的235U含量异常的少。证据面前无可争辩，正如其后的分析指出：在不止40万年的期间，一系列小的天然核反应自发启动，还运作了很久。原本在粗陶土中分散开来的铀235在某些区域相对浓度较大，甚至达到了引发裂变的所需浓度。水循环成为了反应减速剂，使得反应可以很慢但稳定地发生。











地球和木星内部的Oklo


1992年，核化学家Marvin Herndon提出在木星或其它巨行星内部可能存在类Oklo核反应堆的想法。人们很早就知道，这些行星的活动比我们所认为的要剧烈，它们辐射出来的能量比从太阳处收到的要多。现在还不清楚，Kelvin-Helmoltz重力收缩机制和相变过程（如氦的凝华）能否解释我们所观测到的能量释放。








Herndon往地球身上拓展了他的猜想，想像地球核心的对流的能量来源并非仅仅是地核持续而缓慢的结晶化过程。大部分地球物理学家和地球化学家对此持怀疑态度，因为很难相信地核可以有充足的放射性元素。事实上，根据实际矿物成分和物理环境，某些元素必然，某些元素不可能，在一块矿石上共生。







南非开普敦西开普大学的物理学家Rob de Meijer和阿姆斯特丹自由大学的地球化学家Wim van Westrenen共同提出了上述想法的一个变体。与其说铀元素在地核内聚集并形成天然核反应堆，他们认为在地幔底部的某些区域，也仅仅在地核-地幔交界上方。






两位研究人员的想法基于Maud Boyet和Richard Carlson的一个新近发现：地幔的不均质现象的幅度比我们所认为的要大。基于对钕元素的同位素142Nd在地球岩石和在球粒陨石中丰度的差异，我们可以管窥到原始地球的历史，恰恰指出在地核-地幔交界处很应该保存着丰富的铀、钍和钾(?)等长半衰期的放射性元素，从而不断放出热量。







据De Meijer和van Westrenen说，在地幔底部富钙的钙钛矿中，铀可以很容易聚集起来。要引发链式反应的所需浓度仍然是硅酸盐中可以包含的量的20倍，但他们认为这一差距还不足以完全排除这种自发现象的可能性。如果这些地幔中的核反应堆真的存在，它们甚至可以生成钚，成为增殖反应堆。此外，反应产物还包括氦和氙，从而解释在到达地面的岩浆中观察到的热点异常。











如何知道这看起来较为思辨的理论是否如实呢？或许可以借助于大型中微子探测装置。这些装置每天绘制出地球内部的反中微子发射区域，也就可以确定到底在哪些区域，放射性裂变反应特别活跃，放出较多粒子。

SN2008D, l'étoile qui a explosé sous les yeux des astronomes !

L'événement est historique. Par pur hasard, les astronomes viennent d’accomplir un de leurs plus vieux rêves en observant, pour la toute première fois, une supernova en train d’exploser. SN2008D est déjà une star...

Ce 9 janvier 2008, Alicia Soderbers, de l’université de Carnegie-Princeton et membre de l’équipe du télescope spatial Hubble, étudie avec Edo Berger des images transmises par le télescope spatial Swift, de la Nasa, travaillant notamment dans le domaine X. Ils s'intéressent à SN 2007uy, une supernova de la galaxie spirale NGC 2770 située à 90 millions d’années-lumière dans la constellation du Lynx. A 9 h 33 TU (temps universel), une lueur rouge apparaît sur l'écran. Les astronomes pensent d'abord au reste d’une supernova ayant explosé un mois plus tôt.

Cette émission de rayons X dure environ cinq minutes ! Elle provient de la même galaxie mais d’un endroit différent. L’excellente maniabilité du télescope Swift permet alors de l’orienter sur l’endroit précisément repéré, sur une étoile, maintenant cataloguée SN 2008D. Alicia Soderbers et son équipe viennent d’être les premiers témoins de l’histoire à apercevoir une étoile en train de se transformer en supernova !

Un phénomène jamais observé

La portée de l’événement est considérable. Jusqu’ici, toutes les supernovae avaient été mises en évidence longtemps après leur explosion, lorsque leur luminosité attire le regard et l’attention des observateurs par leur éclat, qui peut égaler celui d’une galaxie tout entière. Mais jamais le phénomène lui-même n’avait pu être observé.

Dans une étoile, les forces de gravitation et la pression du rayonnement provenant de son cœur s’équilibrent constamment, garantissant sa stabilité. Mais lorsque son carburant s’épuise, le rayonnement devient insuffisant pour maintenir cet équilibre, la gravitation l’emporte et l’astre s’effondre violemment sur lui-même en un processus extrêmement rapide, qui ne dure que quelques millisecondes. Il se forme alors un objet ultradense nommé étoile à neutrons, voire un trou noir si la masse est suffisante.

Ce processus provoque la dislocation des couches externes de l’étoile qui n’ont pu immédiatement s’intégrer à l’étoile à neutrons et l’apparition de violentes ondes de choc qui dispersent les gaz dans l’espace environnant, formant ce que l’on appalle un rémanent de supernova (la nébuleuse de Crabe ou des Dentelles du Cygne en sont des exemples).

Depuis plus de quarante ans, les astronomes pensaient que cette violente dislocation, ou "déblocage", provoquait aussi une brève mais puissante émission de rayonnement X. Mais ils n’avaient jamais pu observer le signal, qui précède l’émission lumineuse.

Les astronomes réalisent leur rêve

Le 9 janvier dernier, Alicia Soderbers et son collègue Edo Berger ont eu cette chance et ne l'ont pas laissé passer. Alicia Soderbers a immédiatement déclenché une vaste campagne d’observation internationale. Les meilleurs télescopes du monde ont été mobilisés pour l'occasion : le télescope spatial Hubble, l’observatoire spatial en rayons X Chandra, le VLA (Very Large Array) au Nouveau-Mexique, le télescope North Gemini et le Keck 1 à Hawaï, les télescopes de 6 mètres, le Schmidt de 1,50 mètre du Mont Palomar en Californie et le 3,5 mètres d’Apache Point Observatory au Nouveau-Mexique.

Dans une communication publiée le 22 mai 2008 dans Nature, Alicia Soderbers ainsi que 38 collaborateurs démontrent que le processus d’émission en rayonnement X et sa nature sont exactement conformes aux modèles établis, ce qui prouve sans la moindre ambiguïté qu’ils ont réellement observé les prémices de la supernova.

L’observation de cette explosion ainsi que le suivi de son évolution permettront aux astrophysiciens de mieux cerner les processus mis en jeu lors de ce type de phénomène. SN 2008D a été classée dans la catégorie Ibc, de loin la plus répandue et la plus typique. Nul doute qu'elle sera l'objet de toutes les attentions dans les prochains mois et même les prochaines années...

Légende des images ci-dessous :

A gauche : 7 janvier 2008, la galaxie spirale NGC2770 et de la supernova SN2007uy vues en lumière visible (haut) et rayonnement X (bas).
A droite : 9 janvier 2008, SN 2008D entre en scène (haut, en lumière visible et UV) et occulte le reste de la galaxie par son éclat en rayonnement X (bas).

SN2008D，在天文学家眼皮底下爆发的恒星

Jean Etienne 报导

此事必定载入史册。天文学家们在一个绝对偶然的情况下圆了一个由来已久的梦：完完全全第一次，看到了一颗正在爆发的超新星。SN2008D此时变成了一个明星（star，而非法语étoile）……

2008年1月9日，Carnegie-Princeton大学的Alicia Soderbers、哈勃望远镜研究小组成员，以及Edo Berger一同研究NASA的X射线空间望远镜SWIFT发回来的图像。最初他们感兴趣的是SN 2007uy，天猫座中离我们九千万光年的漩涡星系NGC 2770的一颗超新星（遗迹）。世界标准时UTC 9点33分时，屏幕上出现了一抹红色的闪光。天文学家们开头以为是一个月前爆发的一颗超新星遗迹。

这次X射线暴持续了约5分钟！虽然是同一个星系，却不是那处遗迹。SWIFT卓越的可操纵性能立刻使它可以精确指向那一点，一颗现在命名为SN 2008D的恒星。Alicia Soderbers和他的研究小组意识到这是一颗正在变成超新星的恒星，因而成为这段历史中最早的目击者。

从未见过的现象

这次事件的意义的不同凡响的。在此之前，所有的超新星都是在爆发后很久，亮度足够引人注目时（甚至和整整一个星系一样亮的时候）才被注意到的。但是超新星爆发现象本身从未能够被观测到。

在一颗恒星内部，重力和内部辐射压力相平衡，从而达到稳定。但当其燃料用罄时，辐射不足以维持平衡了，重力占上风，继而星体向里迅速坍塌。在仅仅几毫秒内，便形成了一个超密的星体，称为中子星，甚至当质量足够大时将形成黑洞。

星体外层反而赶不上坍塌，而被中子星形成时放出的猛烈的冲击波推开、冲散，从而在这一过程中被解体，形成了超新星遗迹。（例如蟹状星云和天鹅座面纱星云）

自四十年前，天文学家们一直认为这一猛烈的解体过程会放出短暂而强烈的X射线暴。虽然是超新星可见光波段爆发的前兆，他们也一直没能够观测到这种信号。

天文学家一朝梦圆

1月9日，Alicia Soderbers和同事Edo Berger终于等到了这个机会，并没有把它白白放走。Alicia Soderbers立即发动了国际性的联合观测。全世界最优秀的天文望远镜都调动起来，指向同一方向：包括哈勃空间望远镜，钱德拉X射线空间天文台，新墨西哥的VLA（甚长基线列阵），夏威夷的北双子望远镜和凯克1号望远镜，若干六米望远镜，加利福利亚的帕洛马1.5米施密特镜，新墨西哥的阿帕奇山顶天文台的3.5米镜。（译注：前所未有的巨猛烈阵容！！！）

在《自然》2008年5月22日的一篇通讯上，Alicia Soderbers及38名合作者说明了X射线暴及其性质都精确符合现有超新星爆发模型，毫不含糊地证明了他们的确观测到了超新星爆发的前奏。

这次爆发的观测及其后续跟进都让天体物理学家们更好地为这一现象相关过程勾画出清晰的轮廓。SN 2008D被分进Ibc超新星一类，宇宙间分布的最广泛、也最典型的一类。无需怀疑，它将是下个月甚至下一年所有关注的中心……

图注：

左：2008年1月7日，漩涡星系NGC2770及超新星SN2007uy，可见光波段（上）及X射线波段（下）
右：2008年1月9日，超新星2008D隆重登场（可见光及紫外波段，上）并在X射线波段上盖过整个星系（下）

Trous noirs : de l'information pourrait en sortir...

On l'appelle le paradoxe de l'information. Cette vieille énigme de la physique théorique vient de recevoir une solution possible, proposée par Abhay Asthekar, un des créateurs de la théorie de la Loop Quantum Gravity (LQG), ou gravitation quantique en boucles. Inspiré par les résultats de ses collègues Smolin, Rovelli et Bojowald, cet éminent spécialiste explique que, contrairement à ce qu’affirmait initialement Hawking, l’information serait bien conservée lors de l’évaporation d’un trou noir.

Imaginez le rayon laser d’un graveur de CD chauffant un morceau de charbon. Contrairement à la lumière du laser, presque monochromatique, celle émise par le charbon chauffé sera composée d’un très grand nombre de longueurs d’ondes différentes. Le rayonnement du morceau de charbon peut en effet être considéré comme celui d’un corps noir avec un spectre continu. Si les photons initiaux du laser ont tous presque la même longueur d’onde et qu’ils constituent un ensemble considéré comme pur selon la terminologie des physiciens, les photons ré-émis par le morceau de charbon seront constitués d’un mélange hétéroclite possédant de grandes différences du point de vue des longueurs d’ondes.

Ce rayonnement peut être vu comme très désordonné par opposition à la régularité de celui du laser. Si de plus le graveur de CD était en train de transmettre la bande son d’Iron Man, celle-ci sera inaudible dans le rayonnement thermique final du morceau de charbon.

Il n’en est rien pour un observateur microscopique utilisant les lois de la mécanique quantique. Pour lui, de subtiles corrélations dans les états des photons émis par le morceau de charbon sont bien présentes et son assimilation à un corps noir n’est qu’une approximation, excellente  mais fausse : il est toujours possible d’écouter la bande originale du film de Marvel si l’on s’y prend bien.

Dans le cas d’un trou noir s’évaporant par effet Hawking, les lois de la mécanique quantique exigent l’apparition d’un spectre de corps noir. Le problème est que l’existence d’un horizon, et aussi d’une singularité à l’intérieur de celui-ci, impose que le trou noir rayonne avec un spectre de corps noir parfait durant la très grande majorité de son existence et enfin, que son état final lié à la singularité soit trop chaotique pour retenir l’information qui ne s’est pas échappée par rayonnement Hawking durant son évolution.

On aboutit ainsi au paradoxe de l’information. Si, d’un côté, les lois de la mécanique quantique exigent que l’information ne soit jamais perdue dans l’évolution d’un système physique, appliquées à un trou noir elles exigent que le CD de Iron Man qui aurait été avalé par le trou noir ne puisse jamais être écouté en enregistrant et en analysant le rayonnement Hawking.

Ce problème, qui a de nombreux aspects, est l’un des plus importants de la physique et sa solution doit très probablement nous donner la clé de la physique du XXI ième siècle.

Un toy model en 2D pour l'évaporation des trous noirs

Abhay Ashtekar est un chercheur de renommé mondiale et c’est l’un des pères de la gravitation quantique à boucle. Comme bien d’autres chercheurs de son calibre avant lui, il vient de proposer un début de solution au paradoxe de l’information qui lui a été inspiré par le traitement nouveau des singularités en LQG.

La LQG indique que l’espace-temps serait fondamentalement granulaire et que la description continue que nous avons n’est pas plus justifiée que celle que l’on emploie en mécanique des fluides. En réalité, lorsque que l’on s’approche de la longueur et du temps de Planck, le caractère quantique de l’espace-temps imposerait une élimination des singularités prédites par la théorie de la relativité générale classique. Ce fait aurait de profondes répercussions sur l’état final d’un trou noir en fin d’évaporation, atteignant le régime de Planck.

Bien qu’Ashtekar et ses collaborateurs Victor Taveras et Madhavan Varadarajan déclarent tenir compte des résultats de la LQG, ils ne les emploient pas techniquement. Ils se concentrent sur un modèle jouet (toy model en anglais) de trou noir en deux dimensions déjà considéré en théorie des cordes et contrôlé par un champ scalaire, le dilaton.

Ce modèle simplifié permet de traiter quantiquement de l’état de la géométrie d’un trou noir en train de s’évaporer. Ils montrent alors que si la singularité n’existe plus au moins dans l’état final de l’évaporation d’un trou noir de ce type, alors l’information n’est pas perdue et le paradoxe disparaît. Il pense donc que si un traitement plus rigoureux et surtout en 4 dimensions de l’évaporation d’un trou noir était effectué dans le cadre de la LQG, ce résultat particulier pourrait fort bien être générique.

Si l’on ne sait pas encore traiter de l’évaporation d’un trou noir avec la LQG, on pense que les résultats impliquant l’élimination de la singularité au cœur d’un trou noir de Schwarzschild sont néanmoins assez solides dans le cadre de cette théorie.

La théorie des cordes elle-même n’est pas favorable à la destruction de l’information par un trou noir et c’est en partie à cause d’elle que Hawking a fini par changer d’avis en 2004. Il est possible que ce résultat puisse servir à connecter les deux théories, LQG et théorie des cordes...