Des astronomes ont repéré du strontium à la suite d'une collision entre deux étoiles à neutrons. C'est la première fois qu'un élément lourd est identifié dans une kilonova, conséquence explosive de ce type de collisions. La découverte bouche un trou dans notre compréhension de la formation des éléments lourds.
En 2017, l'observatoire des ondes gravitationnelles de l'interféromètre laser (LIGO) et l'observatoire européen VIRGO ont détecté des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons. L'événement de fusion a été nommé GW170817, et il se trouvait à environ 130 millions d'années-lumière dans la galaxie NGC 4993.
Le kilonova résultant est appelé AT2017gfo, et l'Observatoire européen austral (ESO) a pointé plusieurs de ses télescopes vers lui pour l'observer dans différentes longueurs d'onde. En particulier, ils ont pointé le Very Large Telescope (VLT) et son instrument X-shooter vers le kilonova.
Le X-shooter est un spectrographe à plusieurs longueurs d'onde qui observe en lumière visible ultraviolette B (UVB) et proche infrarouge (NIR). Initialement, les données du X-shooter suggéraient qu'il y avait des éléments plus lourds présents dans la kilonova. Mais jusqu'à présent, ils ne pouvaient pas identifier les éléments individuels.
«Il s'agit de la dernière étape d'une poursuite de plusieurs décennies pour identifier l'origine des éléments.»
Darach Watson, auteur principal, Université de Copenhague.
Ces nouveaux résultats sont présentés dans une nouvelle étude intitulée «Identification du strontium dans la fusion de deux étoiles à neutrons». L'auteur principal est Darach Watson de l'Université de Copenhague au Danemark. L'article a été publié dans la revue La nature le 24 octobre 2019.
"En réanalysant les données de 2017 de la fusion, nous avons maintenant identifié la signature d'un élément lourd dans cette boule de feu, le strontium, prouvant que la collision des étoiles à neutrons crée cet élément dans l'Univers", a déclaré Watson dans un communiqué de presse.
La forge des éléments chimiques s'appelle la nucléosynthèse. Les scientifiques le savent depuis des décennies. Nous savons que des éléments se forment dans les supernovae, dans les couches externes des étoiles vieillissantes et dans les étoiles régulières. Mais il y a eu une lacune dans notre compréhension en ce qui concerne la capture de neutrons et la façon dont les éléments plus lourds sont formés. Selon Watson, cette découverte comble cette lacune.
«Il s'agit de la dernière étape d'une poursuite de plusieurs décennies pour identifier l'origine des éléments», explique Watson. «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. »
Il existe deux types de capture de neutrons: rapide et lent. Chaque type de capture de neutrons est responsable de la création d'environ la moitié des éléments plus lourds que le fer. La capture rapide de neutrons permet à un noyau atomique de capturer des neutrons plus rapidement qu'il ne peut se désintégrer, créant des éléments lourds. Le processus a été mis au point il y a des décennies et des preuves indirectes indiquent que les kilonovae sont le lieu probable du processus de capture rapide des neutrons. Mais il n'a jamais été observé sur un site astrophysique jusqu'à présent.
Les étoiles sont suffisamment chaudes pour produire de nombreux éléments. Mais seuls les environnements chauds les plus extrêmes peuvent créer des éléments plus lourds comme le strontium. Seuls ces environnements, comme ce kilonova, contiennent suffisamment de neutrons libres. Dans une kilonova, les atomes sont constamment bombardés par un nombre massif de neutrons, ce qui permet au processus de capture rapide des neutrons de créer les éléments les plus lourds.
«C'est la première fois que nous pouvons associer directement un matériau nouvellement créé formé par capture de neutrons à une fusion d'étoiles à neutrons, confirmant que les étoiles à neutrons sont constituées de neutrons et liant le processus de capture rapide de neutrons, longtemps débattu à de telles fusions», explique Camilla Juul Hansen de l'Institut Max Planck d'astronomie à Heidelberg, qui a joué un rôle majeur dans l'étude.
Même si les données du X-shooter existent depuis quelques années, les astronomes n'étaient pas certains de voir du strontium dans le kilonova. Ils pensaient le voir, mais ne pouvaient pas en être sûrs tout de suite. Notre compréhension des fusions de kilonovae et d'étoiles à neutrons est loin d'être complète. Il y a des complexités dans les spectres X-shooter du kilonova qui ont dû être étudiées, en particulier lorsqu'il s'agit d'identifier les spectres d'éléments plus lourds.
«Nous avons en fait eu l'idée que nous pourrions voir du strontium assez rapidement après l'événement. Cependant, montrer que c'était manifestement le cas s'est avéré très difficile. Cette difficulté est due à notre connaissance très incomplète de l'apparence spectrale des éléments les plus lourds dans le tableau périodique », explique Jonatan Selsing, chercheur à l'Université de Copenhague, qui était un auteur clé du document.
Jusqu'à présent, la capture rapide de neutrons a fait l'objet de nombreux débats, mais n'a jamais été observée. Ce travail comble l'un des trous dans notre compréhension de la nucléosynthèse. Mais cela va plus loin que cela. Il confirme la nature des étoiles à neutrons.
Après la découverte du neutron par James Chadwick en 1932, les scientifiques ont proposé l'existence de l'étoile à neutrons. Dans un article de 1934, les astronomes Fritz Zwicky et Walter Baade ont avancé l'idée que «une super-nova représente la transition d'une étoile ordinaire en uneétoile à neutrons, composé principalement de neutrons. Une telle étoile peut posséder un très petit rayon et une densité extrêmement élevée. »
Trois décennies plus tard, les étoiles à neutrons ont été liées et identifiées avec des pulsars. Mais il n'y avait aucun moyen de prouver que les étoiles à neutrons étaient faites de neutrons, car les astronomes ne pouvaient pas obtenir de confirmation spectroscopique.
Mais cette découverte, en identifiant le strontium, qui n'aurait pu être synthétisé que sous un flux neutronique extrême, prouve que les étoiles à neutrons sont en effet constituées de neutrons. Comme le disent les auteurs dans leur article, «L'identification ici d'un élément qui n'aurait pu être synthétisé que si rapidement sous un flux de neutrons extrême, fournit la première preuve spectroscopique directe que les étoiles à neutrons comprennent une matière riche en neutrons.»
C'est un travail important. La découverte a bouché deux trous dans notre compréhension de l'origine des éléments. Il confirme par observation ce que les scientifiques savaient théoriquement. Et c'est toujours bon.
Plus:
- Communiqué de presse: Première identification d'un élément lourd né d'une collision d'étoiles à neutrons
- Document de recherche: Identification du strontium dans la fusion de deux étoiles à neutrons
- Wikipédia: capture de neutrons
- Papier de 1934: Rayons cosmiques de Super-Novae
