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Même si les scientifiques parviennent de plus en plus à reconstituer l’histoire du Système solaire, celle-ci demeure encore floue. C’est le cas notamment de l’origine de ses éléments lourds comme l’or, l’uranium ou encore le plutonium. Dans une nouvelle étude, deux astrophysiciens se sont aidés d’une ancienne météorite afin de montrer que l’abondance de ces éléments provenait probablement d’une fusion d’étoiles à neutrons survenue environ 100 millions d’années avant la formation du Système solaire. 

Dans une étude publiée dans la revue Nature, des physiciens ont analysé les traces d’isotopes radioactifs dans une très ancienne météorite. Ensuite, ils ont comparé ces valeurs avec les rapports isotopiques produits par une simulation informatique de la fusion d’étoiles à neutrons.

Les chercheurs ont découvert qu’une simple collision d’étoiles à neutrons, apparue environ 100 millions d’années avant que notre Système solaire ne se forme, à 1000 années-lumière de distance, aurait pu fournir à notre voisinage cosmique de nombreux éléments plus lourds que le fer, qui compte 26 protons. Cela comprend environ 70% des atomes de curium de notre Système solaire d’origine et 40% de ses atomes de plutonium, ainsi que d’autres métaux précieux comme l’or et le platine.

Au total, les chercheurs ont découvert que cette collision stellaire aurait donné au Système solaire 0.3% de tous ses éléments lourds. Selon Imre Bartos, astrophysicien à l’Université de Floride, nous portons en chacun de nous ces éléments, principalement sous forme d’iode. Tandis que les bijoux en or ou en platine portent eux aussi une fraction de ce passé explosif ; environ 10 milligrammes se sont formés il y a 4.5 milliards d’années.

Météorite et simulations pour élucider l’histoire du Système solaire

Des éléments tels que le plutonium, l’or, le platine et d’autres plus lourds que le fer sont créés dans un processus appelé capture rapide de neutrons (également appelé processus r), dans lequel un noyau atomique à haute densité de neutrons capture des neutrons libres. Ce processus ne survient qu’à la suite des événements les plus extrêmes de l’Univers. Toutefois, les scientifiques n’ont pas encore compris précisément le rôle joué par les supernovas et les collision stellaires dans la création des éléments lourds de l’Univers.

schema processus r

Schéma expliquant le phénomène de capture rapide de neutrons libres par un noyau atomique ; encore appelé processus r. Crédits : Rachel Freed

Dans leur nouvelle étude, Bartos et son collègue Szabolcs Marka (de l’Université Columbia à New York) expliquent pourquoi les collisions d’étoiles à neutrons constituent la source prédominante d’éléments lourds dans le Système solaire. Pour ce faire, ils ont comparé les éléments radioactifs conservés dans une ancienne météorite à des simulations numériques de fusion d’étoiles à neutrons en divers points de l’espace-temps, autour de la Voie lactée.

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« Le météore contenait le reste d’isotopes radioactifs produits par les fusions d’étoiles à neutrons » déclare Bartos. « Bien qu’ils se soient désintégrés il y a longtemps, ils pourraient être utilisés pour reconstituer la quantité de l’isotope radioactif d’origine au moment de la formation du Système solaire ».

Une seule fusion d’étoiles à neutrons à l’origine de la majorité des éléments lourds du Système solaire ?

La météorite en question contenait des isotopes désintégrés des atomes de plutonium, d’uranium et de curium, que les auteurs d’une étude de 2016 publiée dans la revue Science Advances ont utilisés pour estimer les quantités de ces éléments présents dans le Système solaire primitif.

Bartos et Marka ont intégré ces valeurs dans un modèle informatique pour déterminer le nombre de fusions d’étoiles à neutrons nécessaires pour remplir le Système solaire avec la quantité correcte de ces éléments.

Sur le même sujet : Les trous noirs primordiaux pourraient avoir contribué à la formation des éléments lourds

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Schéma illustrant les étapes de formation des éléments lourds du Système solaire. Crédits : Imre Bartos & Szabolcs Marka

Il s’avère qu’une seule fusion d’étoiles à neutrons ferait l’affaire, si elle se produisait suffisamment près de notre Système solaire — à moins de 1000 années-lumière, soit environ 1% du diamètre de la Voie lactée. Les chercheurs pensent que les fusions d’étoiles à neutrons sont plutôt rares dans notre galaxie et ne se produisent que quelques fois par million d’années. Les supernovas, en revanche, sont beaucoup plus communes.

Selon une étude réalisée en 2006 par l’Agence spatiale européenne, une étoile massive explose dans notre galaxie environ tous les 50 ans. Ce taux de supernova est beaucoup trop élevé pour tenir compte des niveaux d’éléments lourds observés dans les premiers météores du Système solaire, ont conclu Bartos et Marka, les excluant en tant que source probable de ces éléments. Une seule fusion d’étoiles à neutrons située à proximité correspond toutefois parfaitement aux données.

Sources : Nature

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