Cycle carbone-azote-oxygène
# 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-Weizsäcker, 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 :

    12 6C + 1 1H⟶ 13 7N + γ+ 1,95 MeV 13 7N⟶ 13 6C + $e^+$ + $ν_e+$ 2,22 MeV 13 6C + 1 1H⟶ 14 7N + γ+ 7,54 MeV 14 7N + 1 1H⟶ 15 8O + γ+ 7,35 MeV 15 8O⟶ 15 7N + $e^+$ + $ν_e+$ 2,75 MeV 15 7N + 1 1H⟶ 12 6C + 4 2He+ 4,96 MeV

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 : $E=mc^2.$ 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 $^{15}N$ permet de restaurer le noyau de $^{12}C$ initial, il existe une autre voie : celle de la création d'un noyau de $^{16}O$ (accompagnée d'une émission γ). 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 $^{12}C$ en oxygène $^{16}O.$

Il apparaît alors d'autres réactions possibles, des protons avec l'oxygène produit, ainsi bien sûr qu'avec l'oxygène initialement présent :

    15 7N + 1 1H⟶ 16 8O + γ+ 12,13 MeV 16 8O + 1 1H⟶ 17 9F + γ+ 0,60 MeV 17 9F⟶ 17 8O + $e^+$ + $ν_e+$ 2,76 MeV 17 8O + 1 1H⟶ 14 7N + 4 2He+ 1,19 MeV

Il se produit alors un équilibre entre les proportions relatives de l'oxygène $(^{16}O$ et $^{17}O)$ et de l'azote $(^{14}N$ et $^{15}N)$ selon la fréquence des réactions.

La branche principale du cycle CNO est connue comme CNO-I, la branche mineure comme CNO-II. Deux autres branches, CNO-III et CNO-IV, sont significatives seulement dans les étoiles de forte masse. Elles ont lieu quand la dernière réaction du cycle CNO-II produit de l'oxygène $^{18}O$ par désintégration $β^+$ (et une relaxation γ), au lieu de l'azote $^{14}N$ et d'un rayonnement α $^4He$ ; à partir du noyau instable de fluor 18.

    17 8O + 1 1H⟶ 18 9F 18 9F⟶ 18 8O + $e^+$ + $ν_e$ + γ.

## 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 $^{12}C/^{13}C$ est porté à 3,5 et $^{14}N$ 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 $^{12}C/^{13}C$ et $^{12}C/^{14}N$ 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. 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.

