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Image au microscope électronique d’un grain de poussière d’étoile de carbure de silicium, SiC, de la taille d’un micron (en bas à droite) extrait d’une météorite primitive. Le grain de poussière d’étoile est recouvert de matières organiques météoritiques à la surface (crasse foncée sur le côté gauche du grain). De tels grains se sont formés il y a plus de 4,6 milliards d’années dans les vents de refroidissement perdus à la surface des étoiles riches en carbone de faible masse vers la fin de leur vie, illustrés ici (en haut à gauche) par une image du télescope spatial Hubble de l’étoile géante asymptotique à branche U Camelopardalis. L’analyse en laboratoire de ces minuscules grains de poussière fournit des informations uniques sur les réactions nucléaires dans les étoiles de faible masse et leurs évolutions. (1 mm est un millionième de mètre.) Crédit : NASA, Nan Liu et Andrew Davis
Certaines météorites vierges contiennent un enregistrement des éléments constitutifs originaux du système solaire, y compris des grains qui se sont formés dans d’anciennes étoiles qui sont mortes avant la formation du soleil. L’un des plus grands défis de l’étude de ces grains présolaires est de déterminer le type d’étoile d’où provient chaque grain.
Nan Liu, professeure adjointe de recherche en physique des arts et des sciences à l’Université de Washington à St. Louis, est la première auteure d’une nouvelle étude dans Astrophysical Journal Letters qui analyse un ensemble diversifié de grains présolaires dans le but de comprendre leurs véritables origines stellaires.
Liu et son équipe ont utilisé un spectromètre de masse de pointe appelé NanoSIMS pour mesurer les isotopes d’une série d’éléments, notamment les isotopes N et Mg-Al dans les grains présolaires de carbure de silicium (SiC). En affinant leurs protocoles analytiques et en utilisant également une nouvelle génération plasma source d’ions, les scientifiques ont pu visualiser leurs échantillons avec une meilleure résolution spatiale que celle obtenue par des études précédentes.
Images NanoSIMS d’un grain de SiC. Le panneau supérieur montre des images prises à une résolution spatiale d’environ 1 m, la résolution typique des analyses précédentes. Le panneau inférieur montre les images d’ions du même grain prises à une résolution spatiale de 100 nm, la résolution atteinte dans cette étude. Crédit : Image reproduite avec l’aimable autorisation de Nan Liu
“Les grains présolaires sont incrustés dans des météorites depuis 4,6 milliards d’années et sont parfois recouverts de matériaux solaires à la surface”, a déclaré Liu. « Grâce à la résolution spatiale améliorée, notre équipe a pu voir la contamination par Al attachée à la surface d’un grain et obtenir de véritables signatures stellaires en incluant uniquement des signaux provenant du cœur du grain pendant la réduction des données. »
Les scientifiques ont pulvérisé les grains à l’aide d’un faisceau d’ions pendant de longues périodes de temps pour exposer des surfaces de grains intérieures propres pour leurs analyses isotopiques. Les chercheurs ont découvert que les rapports isotopiques N du même grain augmentaient considérablement après que le grain ait été exposé à une pulvérisation ionique prolongée.
Les rapports isotopiques peuvent être rarement mesurés pour les étoiles, mais les isotopes C et N sont deux exceptions. Les nouvelles données isotopiques C et N pour les grains présolaires rapportées dans cette étude relient directement les grains à différents types d’étoiles carbonées sur la base des rapports isotopiques observés de ces étoiles.
“Les nouvelles données isotopiques obtenues dans cette étude sont passionnantes pour les physiciens stellaires et les astrophysiciens nucléaires comme moi”, a déclaré Maurizio Busso, co-auteur de l’étude basé à l’Université de Pérouse, en Italie. « En effet, les rapports isotopiques « étranges » de N des grains de SiC présolaires ont été au cours des deux dernières décennies une source de préoccupation remarquable. Les nouvelles données expliquent la différence entre ce qui était à l’origine présent dans les grains de poussière d’étoile présolaire et ce qui y était attaché plus tard, résolvant ainsi un casse-tête de longue date dans la communauté.
L’étude comprend également une exploration importante de l’isotope radioactif aluminium-26 (26Al), une source de chaleur importante au cours de l’évolution des jeunes corps planétaires dans le système solaire primitif et aussi d’autres systèmes extra-solaires. Les scientifiques ont déduit la présence initiale de grandes quantités de 26Al dans tous les grains mesurés, comme prédit par les modèles actuels. L’étude a déterminé combien 26Al a été produit par les “étoiles mères” des grains qu’ils ont mesurés. Liu et ses collaborateurs ont conclu que les prédictions du modèle stellaire pour 26Al sont trop élevés d’au moins un facteur de deux, par rapport aux données de grain.
Les décalages du modèle de données indiquent probablement des incertitudes dans les taux de réaction nucléaire pertinents, a noté Liu, et inciteront les physiciens nucléaires à poursuivre de meilleures mesures de ces taux de réaction à l’avenir.
Les résultats de l’équipe relient certains des grains présolaires de cette collection à des étoiles de carbone mal connues avec des compositions chimiques particulières.
Les données isotopiques des grains indiquent des processus de combustion de H se produisant dans de telles étoiles de carbone à des températures plus élevées que prévu. Ces informations aideront les astrophysiciens à construire des modèles stellaires pour mieux comprendre l’évolution de ces objets stellaires.
“Au fur et à mesure que nous en apprenons davantage sur les sources de poussière, nous pouvons acquérir des connaissances supplémentaires sur l’histoire de l’univers et sur l’évolution des divers objets stellaires qu’il contient”, a déclaré Liu.
Référence : « Nouvelles compositions isotopiques multiéléments de grains de SiC présolaires : implications pour leurs origines stellaires » par Nan Liu, Jens Barosch, Larry R. Nittler, Conel M. O’D. Alexander, Jianhua Wang, Sergio Cristallo, Maurizio Busso et Sara Palmerini, le 12 octobre 2021, Les lettres du journal astrophysique.
DOI : 10.3847 / 2041-8213 / ac260b
Nan Liu, Barosch Jens, Larry R. Nittler, Conel M. O’D. Alexander, Jianhua Wang, Sergio Cristallo, Maurizio Busso et Sara Palmerini (2021). Nouvelles compositions isotopiques multiéléments des grains de SiC présolaires : implications pour leurs origines stellaires. The Astrophysical Journal Letters, sous presse.
