Lorsque deux étoiles à neutrons s’écrasent l’une contre l’autre, elles ne font pas que déclencher un feu d’artifice. La dynamique intense de la kilonova produit également des éléments lourds, qu’elle dissémine dans l’Univers. Aujourd’hui, pour la première fois, des astronomes ont identifié un élément nouvellement formé dans une kilonova d’étoile à neutrons.
Il s’agit du strontium, et sa détection confirme l’idée que les collisions d’étoiles à neutrons offrent réellement les conditions nécessaires à la création d’éléments plus lourds que le fer.
En août 2017, lorsque l’humanité a capturé notre première collision d’étoiles à neutrons grâce à une combinaison de chance, d’ingéniosité et d’enthousiasme, les données ont suggéré quelque chose que les astronomes avaient déjà soupçonné. À savoir que ces événements énergétiques produisent des métaux plus lourds comme l’or, l’uranium et le platine.
Mais bien que l’analyse spectrale de la fusion, GW 170817, ait montré des caractéristiques d’absorption compatibles avec la production d’éléments lourds, l’identification positive d’une fusion s’est avérée un peu plus délicate, en raison de la complexité des spectres et de notre compréhension limitée des kilonovas de fusion d’étoiles à neutrons.
Aujourd’hui, une équipe internationale d’astronomes a ré-analysé les spectres pris par l’instrument X-Shooter sur le Very Large Telescope, et a trouvé des caractéristiques d’absorption associées au strontium.
“Il s’agit de l’étape finale d’une chasse de plusieurs décennies pour déterminer l’origine des éléments”, a déclaré l’astrophysicien Darach Watson de l’Université de Copenhague, au Danemark.
“Nous savons maintenant que les processus qui ont créé les éléments se sont produits principalement dans les étoiles ordinaires, dans les explosions de supernova ou dans les couches externes des vieilles étoiles. Mais, jusqu’à présent, nous ne connaissions pas l’emplacement du processus final, non découvert, connu sous le nom de capture rapide de neutrons, qui a créé les éléments les plus lourds du tableau périodique.”
Nous savons que, dans les tout premiers jours de l’Univers, les éléments les plus légers, l’hydrogène et l’hélium, se sont formés relativement rapidement. Pendant un certain temps, c’est à peu près tout ce qu’il y avait, jusqu’à ce que la gravité commence à rassembler la matière pour créer des étoiles.
Dans leur cœur, ces étoiles ont fusionné l’hydrogène en hélium, puis l’hélium en carbone, et ainsi de suite, les étoiles les plus massives étant capables de fusionner des noyaux jusqu’au fer. Mais le fer – 26e élément du tableau périodique – s’arrête là, car aucune énergie ne peut être extraite de sa fusion.
Pour accélérer les choses à partir de là, nous avons besoin du processus de capture rapide des neutrons, ou processus r. Une explosion vraiment énergique peut générer 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 la possibilité de se produire avant que d’autres neutrons soient ajoutés au noyau. Cela signifie qu’elle doit se produire dans un endroit où il y a beaucoup de neutrons libres en circulation, comme une supernova à la fin de la vie d’une étoile massive, ou la kilonova produite par des étoiles à neutrons qui entrent en collision.
Et GW 170817 était vraiment explosive. Elle a produit une enveloppe de matière en expansion vers l’extérieur à une vitesse de 20 à 30 % de la vitesse de la lumière, et on pense que la majeure partie de cette matière est constituée d’éléments nouvellement formés.
Les éléments peuvent absorber des longueurs d’onde spécifiques de la lumière. Ainsi, lorsque les scientifiques examinent le spectre des longueurs d’onde, ils peuvent voir quelles longueurs d’onde ont été absorbées et dans quelle mesure, et les relier à des éléments spécifiques.
“Nous avons en fait eu l’idée que nous pourrions voir du strontium assez rapidement après l’événement”, a expliqué l’astrophysicien Jonatan Selsing de l’Université de Copenhague.
“Cependant, il s’est avéré très difficile de démontrer que c’était bien le cas. Cette difficulté était due à notre connaissance très incomplète de l’aspect spectral des éléments les plus lourds du tableau périodique.”
Les chercheurs ont modélisé les spectres observés et étudié des spectres synthétiques pour tenter de mieux comprendre les éléments produits.
Selon eux, les caractéristiques d’absorption remarquables qu’ils ont observées aux longueurs d’onde de 350 et 850 nm dans les données du X-Shooter correspondent à environ cinq fois la masse terrestre de strontium, le 38e élément du tableau périodique (nettement plus lourd que le fer). C’est une quantité énorme de strontium – pensez au nombre d’horloges atomiques que vous pourriez fabriquer.
Cela signifie que nous pouvons maintenant être plus certains que jamais que ces explosions peuvent réellement produire le processus r. “C’est la première fois que nous avons la possibilité d’étudier le processus r dans le cadre d’un projet de recherche.
“C’est la première fois que nous pouvons associer directement la matière nouvellement créée par capture de neutrons à une fusion d’étoiles à neutrons”, a déclaré l’astronome Camilla Juul Hansen de l’Institut Max Planck d’astronomie, “confirmant que les étoiles à neutrons sont faites de neutrons et liant le processus de capture rapide de neutrons, longtemps débattu, à ces fusions”
Les recherches ont été publiées dans la revue Nature.