Après le Big Bang, l’univers primitif contenait de l’hydrogène, de l’hélium et une quantité infime de lithium. Plus tard, certains éléments plus lourds, dont le fer, ont été forgés dans les étoiles. Mais l’un des plus grands mystères de l’astrophysique est de savoir comment les premiers éléments plus lourds que le fer, comme l’or, ont été créés et répartis dans l’univers?
«C’est une question assez fondamentale en termes d’origine de la matière complexe dans l’univers», a déclaré Anirudh Patel, doctorant à l’Université Columbia à New York. «C’est un puzzle amusant qui n’est pas vraiment résolu.»
Patel a dirigé une étude utilisant des données archivées vieilles de 20 ans provenant des télescopes de la NASA et de l’ESA, qui a trouvé des preuves d’une source surprenante de grandes quantités de ces éléments lourds : les éruptions d’étoiles à neutrons hautement magnétisées appelées magnétars. L’étude est publiée dans The Astrophysical Journal Letters.
Les auteurs de l’étude ont calculé que les explosions de magnétars géants pourraient représenter jusqu’à 10% de l’abondance totale d’éléments plus lourds que le fer dans la galaxie. Étant donné que les magnétars existaient relativement tôt dans l’histoire de l’Univers, le premier or a peut-être été créé de cette manière.
« C’est une réponse à l’une des questions du siècle et une solution à un mystère utilisant des données d’archives qui avaient été presque oubliées », a déclaré Eric Burns, co-auteur de l’étude et astrophysicien à l’Université d’État de Louisiane à Baton Rouge, selon un communiqué de presse de la NASA.
Une rupture dans la croûte d’une étoile à neutrons hautement magnétisée, représentée ici par un rendu d’artiste, pourrait déclencher des éruptions de haute énergie. Centre de vol spatial Goddard, NASA/C. Wissinger
Les étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés d’étoiles explosées. Elles sont si denses qu’une seule cuillère à café de matière d’étoile à neutrons sur Terre pèserait un milliard de tonnes. Un magnétar est une étoile à neutrons dotée d’un champ magnétique extrêmement puissant.
Dans de rares cas, les magnétars émettent d’énormes quantités de rayonnement à haute énergie lorsqu’ils subissent des «tremblements de terre stellaires», qui, comme les tremblements de terre, perturbent la croûte de l’étoile à neutrons. Les tremblements d’étoiles peuvent également être associés à de puissantes explosions de radiations appelées éruptions de magnétars géants, qui peuvent même affecter l’atmosphère terrestre. Seules trois éruptions géantes de magnétars ont été observées dans la Voie lactée et le Grand Nuage de Magellan à proximité, et sept au-delà.
Patel et ses collègues, dont son superviseur Brian Metzger, professeur à l’Université Columbia et chercheur principal au Flatiron Institute de New York, se sont demandés comment le rayonnement des éruptions géantes pourrait correspondre aux éléments lourds qui s’y forment. Cela pourrait se produire grâce à un «processus rapide» de neutrons convertissant les noyaux atomiques plus légers en noyaux plus lourds.
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Les protons déterminent l’identité d’un élément dans le tableau périodique: l’hydrogène a un proton, l’hélium en a deux, le lithium en a trois, et ainsi de suite. Les atomes ont également des neutrons, qui n’affectent pas l’identité mais ajoutent de la masse. Parfois, lorsqu’un atome capture un neutron supplémentaire, l’atome devient instable et un processus de désintégration nucléaire se produit qui convertit le neutron en proton, faisant avancer l’atome dans le tableau périodique. Voici comment, par exemple, un atome d’or peut capter un neutron supplémentaire et se transformer en mercure.
Dans l’environnement unique d’une étoile à neutrons effondrée, où la densité de neutrons est extrêmement élevée, quelque chose d’encore plus étrange se produit: des atomes individuels peuvent rapidement capturer tellement de neutrons qu’ils subissent de multiples désintégrations, entraînant la formation d’un élément beaucoup plus lourd comme l’uranium.
Ce concept d’artiste représente un magnétar – un type d’étoile à neutrons avec un champ magnétique puissant – perdant de la matière dans l’espace. Représentées par de fines lignes vertes, les lignes de champ magnétique influencent le mouvement de la matière chargée autour du magnétar. NASA/JPL-Caltech
Lorsque les astronomes ont observé la collision de deux étoiles à neutrons en 2017 à l’aide de télescopes de la NASA et de l’Observatoire d’ondes gravitationnelles à interféromètre laser (LIGO), ainsi que de nombreux télescopes sur Terre et dans l’espace qui ont surveillé la découverte originale, ils ont confirmé que l’événement aurait pu créer de l’or, du platine et d’autres éléments lourds. Mais les fusions d’étoiles à neutrons se produisent trop tard dans l’histoire de l’Univers pour expliquer les premiers or et autres éléments lourds. Des recherches récentes menées par les co-auteurs de la nouvelle étude, Jakub Cechula de l’Université Charles de Prague, Todd Thompson de l’Université d’État de l’Ohio et Metzger, ont montré que les explosions de magnétars peuvent chauffer et éjecter de la matière de la croûte de l’étoile à neutrons à grande vitesse, ce qui en fait une source potentielle de
Au début, Metzger et ses collègues pensaient que la signature de la création et de la distribution des éléments lourds dans le magnétar apparaîtrait dans la lumière visible et ultraviolette, et ils ont publié leurs prédictions. Mais Burns, en Louisiane, s’est demandé s’il pourrait y avoir un signal de rayons gamma suffisamment brillant pour être détecté. Il a demandé à Metzger et Patel de vérifier, et ils ont découvert qu’une telle signature pouvait exister.
«À un moment donné, nous avons dit : « OK, nous devrions demander aux observateurs s’ils ont vu quelque chose »», a déclaré Metzger.
Burns a examiné les données des rayons gamma de la dernière éruption géante, qui s’est produite en décembre 2004. Il s’est rendu compte que si les scientifiques avaient expliqué le début de l’éruption, ils avaient également identifié un signal plus petit provenant du magnétar dans les données du Laboratoire international d’astrophysique des rayons gamma (INTEGRAL) de l’Agence spatiale européenne (ESA), une mission récemment annulée impliquant la NASA. «Cela avait été remarqué à l’époque, mais personne n’avait la moindre idée de ce que cela pouvait être», a déclaré Burns.
Metzger se souvient que Burns pensait que lui et Patel lui «faisaient une farce» parce que la prédiction du modèle de leur équipe correspondait très étroitement au signal mystérieux des données de 2004. En d’autres termes, le signal de rayons gamma détecté il y a plus de 20 ans était cohérent avec ce à quoi il devrait ressembler lorsque des éléments lourds sont créés puis distribués dans une explosion de magnétar géant.
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Patel était tellement enthousiaste que «pendant la semaine ou les deux semaines qui ont suivi, je n’ai pensé à rien d’autre. C’était tout ce à quoi je pouvais penser», a-t-il dit.
Les chercheurs ont étayé leur conclusion avec des données provenant de deux missions héliophysiques de la NASA : le RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager), désormais à la retraite, et le satellite actuel de la NASA Wind, qui a également observé l’éruption géante du magnétar. Parmi les autres co-auteurs de la nouvelle étude figurait Jared Goldberg du Flatiron Institute.
La prochaine mission COSI (Compton Spectrometer and Imager) de la NASA pourrait poursuivre ces études. Le télescope à rayons gamma à grand champ COSI devrait être lancé en 2027 et étudiera les phénomènes énergétiques dans l’espace tels que les explosions de magnétars géants. COSI sera en mesure d’identifier les éléments individuels créés lors de ces événements, offrant ainsi une nouvelle étape dans la compréhension de l’origine des éléments. C’est l’un des nombreux télescopes qui peuvent travailler ensemble pour rechercher des changements « transitoires » dans l’Univers.
Les chercheurs étudieront également d’autres données d’archives pour voir si des secrets sont cachés dans les observations d’autres explosions de magnétars géants.
«C’est vraiment cool de penser à la façon dont certaines choses sur mon téléphone ou mon ordinateur portable ont été créées dans cette explosion extrême de l’histoire de notre galaxie», a déclaré Patel.
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