Lorsque l’humanité a enfin détecté la collision entre deux étoiles à neutrons en 2017, nous avons confirmé une théorie de longue date – dans les feux énergétiques de ces incroyables explosions, des éléments plus lourds que le fer sont forgés.
Et ainsi, nous pensions avoir une réponse à la question de savoir comment ces éléments – dont l’or – se sont propagés dans l’Univers.
Mais une nouvelle analyse a révélé un problème. Selon de nouveaux modèles d’évolution chimique galactique, les collisions d’étoiles à neutrons sont loin de produire les abondances d’éléments lourds que l’on trouve aujourd’hui dans la Voie lactée.
“Les fusions d’étoiles à neutrons n’ont pas produit suffisamment d’éléments lourds au début de la vie de l’Univers, et ce n’est toujours pas le cas aujourd’hui, 14 milliards d’années plus tard”, a déclaré l’astrophysicienne Amanda Karakas de l’Université Monash et du Centre d’excellence ARC pour l’astrophysique de tout le ciel en 3 dimensions (ASTRO 3D) en Australie.
“L’Univers ne les a pas fabriqués assez rapidement pour expliquer leur présence dans les étoiles très anciennes et, globalement, il n’y a tout simplement pas assez de collisions en cours pour expliquer l’abondance de ces éléments autour d’aujourd’hui.”
Les étoiles sont les forges qui produisent la plupart des éléments de l’Univers. Au début de l’Univers, après que la soupe de quark primordiale se soit suffisamment refroidie pour se transformer en matière, elle a formé de l’hydrogène et de l’hélium, qui sont encore les deux éléments les plus abondants de l’Univers.
Les premières étoiles se sont formées lorsque la gravité a rassemblé des amas de ces matériaux. Dans les fours à fusion nucléaire de leur cœur, ces étoiles ont transformé l’hydrogène en hélium, puis l’hélium en carbone, et ainsi de suite, fusionnant des éléments de plus en plus lourds à mesure qu’ils manquent d’éléments plus légers, jusqu’à ce que le fer soit produit.
Le fer lui-même peut fusionner, mais cela consomme d’énormes quantités d’énergie – plus que ce que la fusion produit – de sorte qu’un noyau de fer est le point final.
“Nous pouvons considérer les étoiles comme des cocottes-minute géantes où de nouveaux éléments sont créés”, a déclaré Karakas. “Les réactions qui produisent ces éléments fournissent également l’énergie qui fait briller les étoiles pendant des milliards d’années. En vieillissant, les étoiles produisent des éléments de plus en plus lourds à mesure que leur intérieur se réchauffe.”
Pour créer des éléments plus lourds que le fer – tels que l’or, l’argent, le thorium et l’uranium – le processus de capture rapide des neutrons, ou processus r, est nécessaire. Ce processus peut avoir lieu dans des explosions très énergétiques, qui génèrent une série de réactions nucléaires au cours desquelles les noyaux atomiques entrent en collision avec des neutrons pour synthétiser des éléments plus lourds que le fer.
Mais cela doit se produire très rapidement, afin que la désintégration radioactive n’ait pas le temps de se produire avant que d’autres neutrons soient ajoutés au noyau.
Nous savons aujourd’hui que l’explosion d’une kilonova générée par la collision d’une étoile à neutrons constitue un environnement suffisamment énergétique pour que le processus r puisse avoir lieu. Cela n’est pas contesté. Mais, pour produire les quantités de ces éléments plus lourds que nous observons, il faudrait une fréquence minimale de collisions d’étoiles à neutrons.
Pour déterminer les sources de ces éléments, les chercheurs ont construit des modèles d’évolution chimique galactique pour tous les éléments stables, du carbone à l’uranium, en utilisant les observations astrophysiques et les abondances chimiques les plus récentes disponibles dans la Voie lactée. Ils ont inclus les rendements théoriques de la nucléosynthèse et les taux d’événements.
(Chiaki Kobayashi et al. ; Sahm Keily)
Ils ont présenté leur travail dans un tableau périodique qui montre les origines des éléments qu’ils ont modélisés. Parmi leurs conclusions, ils ont constaté l’absence de fréquence de collision des étoiles à neutrons, du début de l’Univers à aujourd’hui. Au lieu de cela, ils pensent qu’un type de supernova pourrait être responsable.
Il s’agit des supernovae magnétorotationnelles, qui se produisent lorsque le noyau d’une étoile massive à rotation rapide et à fort champ magnétique s’effondre. On pense également qu’ elles sont suffisamment énergétiques pour que le processus r ait lieu. Si un petit pourcentage de supernovae d’étoiles entre 25 et 50 masses solaires sont magnétorotationnelles, cela pourrait combler la différence.
“Même les estimations les plus optimistes de la fréquence de collision des étoiles à neutrons ne peuvent tout simplement pas rendre compte de l’abondance même de ces éléments dans l’Univers”, a déclaré Karakas. “Cela a été une surprise. Il semble que les supernovae en rotation avec de forts champs magnétiques soient la véritable source de la plupart de ces éléments.”
Des recherches antérieures ont trouvé un type de supernova appelé trou noir de supernova collapsar. On pense que ces supernovas sont beaucoup plus rares que les collisions d’étoiles à neutrons, mais elles pourraient y contribuer – cela correspond parfaitement aux autres découvertes de l’équipe. peuvent également produire des éléments lourds. C’est lorsqu’une étoile à rotation rapide de plus de 30 masses solaires devient une supernova avant de s’effondrer en une étoile à neutrons
Ils ont constaté que les étoiles moins massives que huit masses solaires environ produisent du carbone, de l’azote, du fluor et environ la moitié de tous les éléments plus lourds que le fer. Les étoiles plus massives que huit masses solaires produisent la plupart de l’oxygène et du calcium nécessaires à la vie, ainsi que la plupart des autres éléments entre le carbone et le fer.
“A part l’hydrogène, il n’y a aucun élément qui ne peut être formé que par un seul type d’étoile”, a expliqué l’astrophysicien Chiaki Kobayashi de l’Université de Hertfordshire au Royaume-Uni.
“La moitié du carbone est produite par des étoiles mourantes de faible masse, mais l’autre moitié provient des supernovae. Et la moitié du fer provient de supernovae normales d’étoiles massives, mais l’autre moitié a besoin d’une autre forme, connue sous le nom de supernovae de type Ia. Celles-ci sont produites dans des systèmes binaires d’étoiles de faible masse.”
Cela ne signifie pas nécessairement que les 0,3 % d’or et de platine de la Terre, dont on estime qu’ils proviennent d’une collision avec une étoile à neutrons il y a 4,6 milliards d’années, ont une origine différente. C’est juste que ce n’est pas nécessairement toute l’histoire.
Mais cela ne fait que cinq ans que nous détectons les ondes gravitationnelles. Il se pourrait qu’au fur et à mesure que nos équipements et nos techniques s’améliorent, nous découvrions que les collisions d’étoiles à neutrons sont beaucoup plus fréquentes que nous le pensons à l’heure actuelle.
Curieusement, les modèles des chercheurs ont également produit plus d’argent que ce qui a été observé, et moins d’or. Cela suggère que quelque chose doit être modifié. Peut-être s’agit-il des calculs. Ou peut-être y a-t-il des aspects de la nucléosynthèse stellaire que nous devons encore comprendre.
Les recherches ont été publiées dans l’Astrophysical Journal.