L’origine des éléments lourds du système solaire, tels que l’or et le platine, a suscité un grand intérêt chez les astronomes. L’une des théories les plus populaires est qu’ils ont été dispersés dans l’espace par des collisions d’étoiles à neutrons.
De nouvelles recherches ont toutefois trouvé une autre origine : un type d’explosion d’étoile souvent négligé, ou supernova. Les chercheurs affirment que ces dernières pourraient être à l’origine d’au moins 80 % des éléments lourds de l’Univers.
Les supernovae de type collapsar, produites par des étoiles en rotation rapide dont la masse est plus de 30 fois supérieure à celle du Soleil, explosent de manière spectaculaire avant de s’effondrer dans un trou noir
“Nos recherches sur les fusions d’étoiles à neutrons nous ont amenés à penser que la naissance de trous noirs dans un type très différent d’explosion stellaire pourrait produire encore plus d’or que les fusions d’étoiles à neutrons”, a déclaré le physicien Daniel Siegel de l’Université de Guelph.
La détection des collisions d’étoiles à neutrons en 2017 a apporté la première preuve solide que de telles collisions produisent des éléments lourds. Dans les données électromagnétiques produites par GW 170817, les scientifiques ont détecté, pour la première fois, la production d’éléments lourds dont l’or, le platine et l’uranium.
Comme nous l’avons déjà signalé, cela se produit parce qu’une explosion puissante, telle qu’une supernova ou une fusion stellaire, peut déclencher le processus de capture rapide des neutrons, ou processus r – une série de réactions nucléaires dans lesquelles les noyaux atomiques entrent en collision avec des neutrons pour synthétiser des éléments plus lourds que le fer.
Les réactions doivent se produire assez rapidement pour que la désintégration radioactive n’ait pas le temps de se produire avant que d’autres neutrons ne soient ajoutés au noyau, ce qui signifie qu’elles doivent se produire là où il y a beaucoup de neutrons libres en circulation, comme dans une étoile en explosion.
Dans le cas de GW 170817, ces éléments du processus r ont été détectés dans le disque de matière qui s’est formé autour des étoiles à neutrons après leur fusion. Tout en cherchant à comprendre la physique de ce phénomène, Siegel et son équipe ont réalisé que le même phénomène pourrait se produire en association avec d’autres explosions cosmiques.
À l’aide de superordinateurs, ils ont donc simulé la physique des supernovae à effondrement. Et ils ont trouvé de l’or.
“Quatre-vingt pour cent de ces éléments lourds que nous voyons devraient provenir de collapsars”, a déclaré Siegel.
“Les collapsars sont assez rares dans les occurrences de supernovae, encore plus rares que les fusions d’étoiles à neutrons – mais la quantité de matière qu’ils éjectent dans l’espace est bien plus importante que celle des fusions d’étoiles à neutrons.”
En outre, les quantités et la distribution de ces éléments produits dans la simulation étaient “étonnamment similaires” à ce que nous avons ici sur Terre, a-t-il noté.
Cela signifie-t-il que 0,3 % des éléments du processus r de la Terre ne proviennent pas d’une collision d’étoiles à neutrons survenue il y a 4,6 milliards d’années, comme l’a découvert une autre équipe d’astronomes au début de cette année ? Eh bien, pas nécessairement. Selon les paramètres des simulations de Siegel, jusqu’à 20 % de ces éléments pourraient encore provenir de la collision d’étoiles à neutrons et de trous noirs.
L’équipe espère que le télescope spatial James Webb, dont le lancement est actuellement prévu pour 2021, pourra faire la lumière sur cette question. Ses instruments sensibles pourraient détecter le rayonnement d’une supernova en effondrement dans une galaxie lointaine, ainsi que l’abondance des éléments dans la Voie lactée.
“Essayer de déterminer l’origine des éléments lourds peut nous aider à comprendre comment la galaxie a été chimiquement assemblée et comment elle s’est formée”, a déclaré Siegel.
“Cela peut en fait aider à résoudre certaines grandes questions en cosmologie, car les éléments lourds sont un bon traceur”
Les recherches ont été publiées dans la revue Nature.