Découverte de l’alchimie des éléments lourds de l’univers avec les fusions d’étoiles à neutrons.

Illustration d'une explosion spatiale massive Kilonova

Des preuves observationnelles issues de la fusion de deux étoiles à neutrons ont révélé la production d’éléments lourds rares, notamment du tellure, ce qui fait avancer notre compréhension des origines élémentaires de l’univers.

Découverte révolutionnaire qui rapproche les astronomes un peu plus de résoudre le mystère de l’origine des éléments plus lourds que le fer.

Une équipe internationale d’astronomes – comprenant le physicien astrophysicien de l’Université de Clemson, Dieter Hartmann – a obtenu des preuves observationnelles de la création d’éléments lourds rares à la suite d’une explosion cataclysmique déclenchée par la fusion de deux étoiles à neutrons.

L’explosion massive a libéré un sursaut gamma, GRB230307A, le deuxième plus lumineux depuis 50 ans d’observations et environ 1 000 fois plus lumineux qu’un sursaut gamma typique. GRB230307A a été détecté pour la première fois par le télescope spatial Fermi Gamma-Ray de la NASA le 7 mars 2023.

Révélant les mystères du cosmos

En utilisant plusieurs télescopes spatiaux et terrestres, y compris le télescope spatial James Webb de la NASA, le plus grand et le plus puissant télescope jamais lancé dans l’espace, les scientifiques ont pu localiser la source du sursaut gamma dans le ciel et suivre comment sa luminosité a changé.

Avec les informations recueillies, les chercheurs ont déterminé que le sursaut était le résultat de deux étoiles à neutrons fusionnées dans une galaxie située à 1 milliard d’années-lumière de la Terre pour former une kilonova. Les chercheurs ont observé des preuves de tellure, l’un des éléments les plus rares sur Terre.

Cette découverte révolutionnaire rapproche les astronomes un peu plus de résoudre le mystère de l’origine des éléments plus lourds que le fer.

« Je suis un astrophysicien des hautes énergies. J’aime les explosions. J’aime les rayons gamma qui en découlent. Mais je suis aussi un astronome qui se soucie vraiment de questions fondamentales comme la formation des éléments lourds », a déclaré Hartmann.

Dieter Hartmann

Dieter Hartmann, professeur au département de physique et d’astronomie de l’Université de Clemson. Crédit : Université de Clemson

Sursauts Gamma : Fenêtres sur les processus stellaires

Les sursauts gamma (GRB) sont des éclats de lumière gamma – la forme la plus énergétique de lumière – qui durent de quelques secondes à quelques minutes. Les premiers GRB ont été détectés dans les années 1960 par des satellites construits pour surveiller les essais nucléaires.

Les GRB ont des origines différentes.

Les GRB de longue durée sont causés par des supernovas, le moment où une étoile massive atteint la fin de sa vie et explose en un éclat de lumière. Les GRB de courte durée sont causés par la fusion de deux étoiles à neutrons, connue sous le nom de kilonova, ou par la fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir.

Malgré sa durée de 200 secondes, les scientifiques ont remarqué que la couleur de l’arrière-plan du sursaut gamma est passée du bleu au rouge, une signature de kilonova.

« Le sursaut lui-même indiquait en fait un événement de longue durée, et cela aurait dû être une situation de type supernova normale. Mais il avait des caractéristiques inhabituelles. Il ne correspondait pas tout à fait aux schémas des longs sursauts », a déclaré Hartmann. « Il s’est avéré que ce nuage radioactif, cette luminescence de la kilonova, avec toutes ces empreintes digitales synthétiques nucléaires en lui, est la signature d’une fusion binaire. L’excitation vient du fait d’utiliser le Webb pour identifier une empreinte chimique que nous attendions pour les sursauts courts et de la voir à l’intérieur d’un long sursaut. »

Le Rôle des Fusions d’Étoiles à Neutrons dans la Formation des Éléments

Hartmann a expliqué que le Big Bang a produit de l’hydrogène et de l’hélium. Tous les autres éléments ont été créés par des étoiles et des processus dans le milieu interstellaire.

« Certains d’entre eux sont suffisamment massifs pour exploser et ils retournent ce matériau à leurs environnements gazeux, qui formeront plus tard de nouvelles étoiles. Ainsi, il y a un cycle dans l’univers qui nous enrichit en carbone, azote, oxygène, toutes les choses dont nous avons besoin », a-t-il dit. « Nous appelons les étoiles les chaudrons de l’univers. »

Les réactions thermonucléaires, ou fusion, font briller les étoiles. Cela conduit progressivement à la production de plus d’éléments lourds, a ajouté Hartmann. Mais lorsque l’on atteint le fer, il n’y a plus beaucoup d’énergie à extraire, a-t-il expliqué.

Alors, d’où proviennent tous les éléments lourds tels que l’or et l’uranium ?

« Les éléments lourds ont des origines particulières. Il existe deux processus qui dominent. L’un est appelé rapide ; l’autre est appelé lent. Nous pensons que le processus r se produit lors de ces fusions d’étoiles à neutrons », a déclaré Hartmann.

Confirmation des Théories par des Preuves Observationnelles

La modélisation théorique suggérait que les kilonovas devraient produire du tellure, mais la détection d’une raie spectrale par le télescope spatial James Webb a fourni une preuve expérimentale. Une raie spectrale est une ligne sombre ou claire à l’intérieur d’un spectre continu. Elle est produite par des transitions au sein des atomes ou des ions.

« Nous pensons que c’est une identification assez sûre, mais ce n’est pas au-delà de tout doute raisonnable comme on le dirait au tribunal », a déclaré Hartmann.

Les résultats détaillés de la recherche peuvent être consultés dans l’article intitulé « Production d’éléments lourds dans une fusion d’objets compacts observée par JWST » qui est paru dans la revue scientifique Nature.

Pour en savoir plus sur cette recherche, veuillez consulter :

En plus de Hartmann, des chercheurs de plusieurs universités aux États-Unis ainsi que des scientifiques des Pays-Bas, du Royaume-Uni, d’Italie, du Japon, du Danemark, d’Espagne, de Suède, d’Australie, d’Irlande, de France, de Nouvelle-Zélande, du Canada, d’Israël, d’Islande, de République tchèque et d’Allemagne ont participé.