La véritable origine de l’or dans l’Univers ne serait finalement pas les collisions d’étoiles à neutrons

Au cours des dernières années, les astrophysiciens ont développé divers modèles d’évolution galactique ayant tous un point commun : les différents éléments lourds comme l’or présents dans les galaxies seraient le produit des collisions d’étoiles à neutrons au cours d’un processus de capture rapide de neutrons, appelé « processus r ». Mais récemment, une équipe de chercheurs a montré que ce n’était peut-être pas entièrement le cas. Après avoir comparé l’abondance observée d’éléments lourds dans la Voie lactée et la fréquence à laquelle se produisent les collisions d’étoiles à neutrons, ils ont conclu que ces dernières ne pouvaient, à elles seules, être responsables des quantités détectées. Ainsi, ils avancent un autre contributeur majoritaire à la formation des éléments lourds : les supernovas magnéto-rotationnelles.

Selon de nouveaux modèles d’évolution de la chimie galactique, les collisions d’étoiles à neutrons sont loin de produire les abondances d’éléments lourds observées dans la Voie lactée aujourd’hui. « 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 », indique l’astrophysicienne Amanda Karakas de l’Université Monash.

« Dans l’ensemble, il n’y a tout simplement pas assez de collisions en cours pour expliquer l’abondance de ces éléments aujourd’hui ». Les étoiles sont les forges qui produisent la plupart des éléments de l’Univers. Après la formation de l’hydrogène et de l’hélium dans l’Univers primordial, les premières étoiles se sont formées. Ces étoiles ont forgé l’hydrogène en hélium ; puis l’hélium en carbone ; et ainsi de suite, fusionnant des éléments de plus en plus lourds.

Le fer lui-même peut fusionner, mais il consomme d’énormes quantités d’énergie — plus que ce qu’une telle fusion produit — donc un noyau de fer est le point final. « Nous pouvons considérer les étoiles comme des autocuiseurs géants où de nouveaux éléments sont créés. Ces processus fournissent également l’énergie qui fait briller les étoiles pendant des milliards d’années. À mesure que les étoiles vieillissent, elles produisent des éléments de plus en plus lourds à mesure que leur intérieur se réchauffe », explique Karakas.

Processus r et génération des éléments lourds

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 de neutrons, ou processus r, est nécessaire. Cela peut se produire dans des explosions très énergétiques, qui génèrent une série de réactions nucléaires dans lesquelles des noyaux atomiques entrent en collision avec des neutrons pour synthétiser des éléments plus lourds que le fer.

Mais cela doit se produire très rapidement, de sorte que la désintégration radioactive n’ait pas le temps de se produire avant que d’autres neutrons ne soient ajoutés au noyau. Nous savons que l’explosion de kilonova générée par une collision d’étoiles à neutrons est un environnement suffisamment énergique pour que le processus r ait lieu. Mais, pour produire les quantités de ces éléments plus lourds que nous observons, nous aurions besoin d’une fréquence minimale précise de collisions d’étoiles à neutrons.

Supernovas magnéto-rotationnelles : la source majoritaire des éléments lourds ?

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 les plus récentes et les abondances chimiques disponibles dans la Voie lactée. Ils incluaient les rendements théoriques de nucléosynthèse et les taux d’événements.

Ils ont présenté leur travail dans un tableau périodique qui montre les origines des éléments qu’ils ont modélisés. Et, parmi leurs découvertes, ils ont trouvé que la fréquence de collision des étoiles à neutrons était trop faible, depuis le début de l’Univers jusqu’à maintenant. Au lieu d’impliquer des collisions d’étoiles à neutrons, ils pensent qu’un type de supernova particulier pourrait être responsable.

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Celles-ci sont appelées supernovas magnéto-rotationnelles et se produisent lorsque le noyau d’une étoile massive à rotation rapide avec un champ magnétique puissant s’effondre. Les recherches suggèrent que celles-ci sont suffisamment énergiques pour que le processus r se déroule. Si un petit pourcentage de supernovas d’étoiles entre 25 et 50 masses solaires est magnétorotationnel, cela pourrait compenser la différence.

Une potentielle contribution des supernovas à collapsar

Des recherches antérieures ont montré qu’un type de supernova appelé supernova à collapsar peut également produire des éléments lourds. C’est le processus dans lequel une étoile en rotation rapide de plus de 30 masses solaires explose en supernova avant de s’effondrer en un trou noir. Les supernovas à collapsar sont beaucoup plus rares que les collisions d’étoiles à neutrons, mais elles pourraient être un contributeur.

Les auteurs ont découvert que les étoiles moins massives qu’environ huit masses solaires 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.

« Hormis l’hydrogène, il n’y a pas d’élément unique qui ne peut être formé que par un seul type d’étoile. La moitié du carbone est produit à partir d’étoiles de faible masse mourantes, mais l’autre moitié provient de supernovas. Et la moitié du fer provient de supernovas normales d’étoiles massives, mais l’autre partie du fer a besoin d’un autre type de supernova, connu sous le nom de supernova de type Ia. Celles-ci sont produites dans les systèmes binaires d’étoiles de faible masse », explique l’astrophysicien Chiaki Kobayashi de l’Université du Hertfordshire.

Sources : The Astrophysical Journal