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Peu de temps après le Big Bang, les premiers noyaux atomiques légers se sont formés au cours de la nucléosynthèse primordiale. Plus tard, au cœur des étoiles, seront forgés des atomes plus lourds jusqu’au fer. Mais pour former des atomes encore plus lourds, un processus de capture rapide des neutrons, appelé processus r, est nécessaire. Un tel processus ne se déroule que dans des conditions physiques extrêmes. Récemment, des astrophysiciens ont identifié la formation de strontium lors de la fusion d’étoiles à neutrons, révélant que la formation de tels éléments lourds se déroule au cours de ce type d’événement cosmique.

Des astrophysiciens ont détecté la formation d’un élément lourd dans l’espace, forgé à la suite d’une collision entre deux étoiles à neutrons. Les résultats ont également confirmé que « les étoiles à neutrons contiennent bien des neutrons » déclare Darach Watson, astrophysicien à l’Institut Niels Bohr de l’université de Copenhague. « Cela semble vraiment stupide, mais c’est quelque chose que nous ne savons pas avec certitude. Maintenant, tout ce que nous avons trouvé pointe vers des éléments qui ne se sont formés qu’en présence de beaucoup de neutrons ».

Les trois éléments les plus légers de l’Univers — l’hydrogène, l’hélium et le lithium — ont été créés aux tout premiers instants du cosmos, juste après le Big Bang, durant un événement appelé nucléosynthèse primordiale. La plupart des éléments plus lourds que le lithium, jusqu’au fer, ont été forgés des milliards d’années plus tard, dans le cœur des étoiles.

Processus r et fusion d’étoiles à neutrons

Mais la manière dont les éléments plus lourds que le fer, tels que l’or et l’uranium, ont été créés, est depuis longtemps incertaine. Des recherches précédentes suggéraient un indice clé : pour que les atomes atteignent des tailles importantes, ils devaient absorber rapidement les neutrons. Une telle capture de neutrons rapide, connue sous le nom de processus r, ne se produit que dans la nature, dans des environnements extrêmes où les atomes sont bombardés par un grand nombre de neutrons.

schema processus r

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

Des travaux antérieurs ont suggéré qu’une source probable d’éléments formés par processus r pourrait être le cataclysme cosmique causé par la fusion d’étoiles à neutrons. Dans de telles étoiles, la pression interne est si élevée que les électrons pénètrent les protons pour former des neutrons.

En 2017, les astronomes ont assisté à la fusion de deux étoiles à neutrons. Les astrophysiciens ont fait cette découverte en détectant des ondes gravitationnelles émises à partir d’une collision survenue à environ 130 millions d’années-lumière de la Terre. Suite à la découverte de cette fusion, baptisée GW170817, les chercheurs ont continué à effectuer des observations depuis la Terre. « Cette explosion évoluait à 30% de la vitesse de la lumière, elle est donc passée d’environ 100 kilomètres à la taille du Système solaire en une journée » indique Watson.

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Les kilonovas : des sources cosmiques d’éléments lourds

Watson et ses collègues soupçonnaient que, si des éléments plus lourds se formaient au cours de GW170817, des signatures de ces éléments pourraient être détectées dans les suites explosives de la fusion, connues sous le nom de kilonovas. Ils se sont concentrés sur les longueurs d’ondes de la lumière (spectre) que les astrophysiciens ont liées par spectroscopie à des éléments spécifiques.

Des études précédentes suggéraient la présence d’éléments lourds dans les kilonovas, mais jusqu’à présent, les astronomes n’étaient pas en mesure de repérer des éléments individuels. Ceci est dû au fait que « des éléments plus lourds peuvent produire des mélanges de dizaines de millions de raies spectrales. Nous ne pourrions jamais distinguer un élément d’un autre » explique Watson.

Cependant, en réanalysant les données de la fusion de 2017, Watson et ses collègues ont identifié la signature de l’élément lourd strontium. Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature. Sur Terre, le strontium se trouve naturellement dans le sol et se concentre dans certains minéraux. Les composés de strontium aident même à donner aux feux d’artifice une couleur rouge brillante.

Sur le même sujet : La majorité des éléments lourds du Système solaire proviendrait d’une fusion d’étoiles à neutrons

Une détection facilitée par la structure du strontium

La clé de cette découverte réside dans la structure atomique du strontium, relativement simple pour un élément aussi lourd. En raison de sa structure, la version chargée électriquement du strontium produit deux raies spectrales puissantes en lumière bleue et infrarouge. Cette découverte était surprenante car, si le strontium est un élément lourd, il est également l’un des éléments les plus légers issus du processus r.

structure strontium

La structure atomique simple du strontium a facilité sa détection. Crédits : SciencePhotoLibrary

Dans des recherches antérieures, les astrophysiciens s’attendaient à trouver « des éléments lourds plus lourds, ou des éléments plus lourds issus du processus r, en regardant une kilonova » explique Watson. La découverte pourrait être liée aux neutrinos, qui traversent normalement la matière mais peuvent occasionnellement entrer en collision avec des protons ou des neutrons.

« Afin de créer un élément lourd relativement léger comme le strontium, vous devez d’abord détruire certains neutrons. Vous devez les bombarder de neutrinos, suffisamment pour qu’ils se désintègrent plus rapidement en protons et en électrons. Cela nous en dit un peu plus sur ce qu’il se passe dans les étoiles à neutrons et lors de telles fusions ».

Sources : Nature

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