De nouvelles recherches suggèrent que les étoiles à neutrons binaires sont une source cosmique probable pour l’or, le platine et d’autres métaux lourds que nous voyons aujourd’hui. Crédit : National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet, édité par MIT News
Les fusions entre deux étoiles à neutrons ont produit plus d’éléments lourds au cours des 2,5 derniers milliards d’années que les fusions entre les étoiles à neutrons et les trous noirs.
La plupart des éléments plus légers que le fer sont forgés dans le noyau des étoiles. Le centre chauffé à blanc d’une étoile alimente la fusion des protons, les serrant ensemble pour construire des éléments de plus en plus lourds. Mais au-delà du fer, les scientifiques se sont demandé ce qui pourrait donner naissance à l’or, au platine et au reste des éléments lourds de l’univers, dont la formation nécessite plus d’énergie qu’une étoile ne peut en rassembler.
Une nouvelle étude menée par des chercheurs de AVEC et l’Université du New Hampshire constate que de deux sources longtemps suspectées de métaux lourds, l’une est plus une mine d’or que l’autre.
L’étude, publiée aujourd’hui (25 octobre 2021) dans Lettres de revues astrophysiques, rapporte qu’au cours des 2,5 derniers milliards d’années, davantage de métaux lourds ont été produits en binaire étoile à neutrons fusions, ou collisions entre deux étoiles à neutrons, que dans les fusions entre une étoile à neutrons et un trou noir.
L’étude est la première à comparer les deux types de fusion en termes de production de métaux lourds et suggère que les étoiles à neutrons binaires sont une source cosmique probable pour l’or, le platine et d’autres métaux lourds que nous voyons aujourd’hui. Les résultats pourraient également aider les scientifiques à déterminer la vitesse à laquelle les métaux lourds sont produits dans l’univers.
“Ce que nous trouvons passionnant dans notre résultat, c’est qu’à un certain niveau de confiance, nous pouvons dire que les étoiles à neutrons binaires sont probablement plus une mine d’or que les fusions étoile à neutrons-trou noir”, déclare l’auteur principal Hsin-Yu Chen, post-doctorant au Kavli Institute du MIT. pour l’astrophysique et la recherche spatiale.
Les co-auteurs de Chen sont Salvatore Vitale, professeur adjoint de physique au MIT, et François Foucart de l’UNH.
Un flash efficace
Lorsque les étoiles subissent une fusion nucléaire, elles ont besoin d’énergie pour fusionner les protons et former des éléments plus lourds. Les étoiles sont efficaces pour produire des éléments plus légers, de l’hydrogène au fer. Cependant, la fusion de plus de 26 protons dans le fer devient énergétiquement inefficace.
“Si vous voulez dépasser le fer et construire des éléments plus lourds comme l’or et le platine, vous avez besoin d’un autre moyen de jeter des protons ensemble”, explique Vitale.
Les scientifiques ont soupçonné que les supernovae pourraient être une réponse. Lorsqu’une étoile massive s’effondre dans une supernova, le fer en son centre pourrait éventuellement se combiner avec des éléments plus légers dans les retombées extrêmes pour générer des éléments plus lourds.
En 2017, cependant, un candidat prometteur a été confirmé, sous la forme d’une fusion d’étoiles à neutrons binaires, détectée pour la première fois par LIGO et Virgo, les observatoires des ondes gravitationnelles aux États-Unis et en Italie, respectivement. Les détecteurs ont capté ondes gravitationnelles, ou ondulations dans l’espace-temps, qui a pris naissance à 130 millions d’années-lumière de la Terre, à la suite d’une collision entre deux étoiles à neutrons – des noyaux d’étoiles massives effondrés, qui regorgent de neutrons et sont parmi les objets les plus denses de l’univers.
La fusion cosmique a émis un éclair de lumière, qui contenait des signatures de métaux lourds.
« La magnitude de l’or produit lors de la fusion équivalait à plusieurs fois la masse de la Terre », explique Chen. « Cela a complètement changé le tableau. Les calculs ont montré que les étoiles à neutrons binaires étaient un moyen plus efficace de créer des éléments lourds, par rapport aux supernovae. »
Une mine d’or binaire
Chen et ses collègues se sont demandé : comment les fusions d’étoiles à neutrons pourraient-elles se comparer aux collisions entre une étoile à neutrons et un trou noir ? Il s’agit d’un autre type de fusion qui a été détecté par LIGO et Virgo et pourrait potentiellement être une usine de métaux lourds. Dans certaines conditions, les scientifiques soupçonnent qu’un trou noir pourrait perturber une étoile à neutrons de sorte qu’il produirait des étincelles et cracherait des métaux lourds avant que le trou noir n’avale complètement l’étoile.
L’équipe a entrepris de déterminer la quantité d’or et d’autres métaux lourds que chaque type de fusion pourrait généralement produire. Pour leur analyse, ils se sont concentrés sur les détections de LIGO et Virgo à ce jour de deux fusions d’étoiles à neutrons binaires et de deux fusions d’étoiles à neutrons et de trous noirs.
Les chercheurs ont d’abord estimé la masse de chaque objet dans chaque fusion, ainsi que la vitesse de rotation de chaque trou noir, estimant que si un trou noir est trop massif ou lent, il avalerait une étoile à neutrons avant qu’il n’ait eu la chance de produire de lourdes éléments. Ils ont également déterminé la résistance de chaque étoile à neutrons à être perturbée. Plus une étoile est résistante, moins elle est susceptible de produire des éléments lourds. Ils ont également estimé la fréquence à laquelle une fusion se produit par rapport à l’autre, sur la base des observations de LIGO, Virgo et d’autres observatoires.
Enfin, l’équipe a utilisé des simulations numériques développées par Foucart pour calculer la quantité moyenne d’or et d’autres métaux lourds que chaque fusion produirait, compte tenu de diverses combinaisons de masse, de rotation, de degré de perturbation et de taux d’occurrence des objets.
En moyenne, les chercheurs ont découvert que les fusions d’étoiles à neutrons binaires pouvaient générer deux à 100 fois plus de métaux lourds que les fusions entre les étoiles à neutrons et les trous noirs. On estime que les quatre fusions sur lesquelles ils ont fondé leur analyse se sont produites au cours des 2,5 derniers milliards d’années. Ils concluent alors que pendant cette période, au moins, plus d’éléments lourds ont été produits par les fusions d’étoiles à neutrons binaires que par les collisions entre les étoiles à neutrons et les trous noirs.
La balance pourrait pencher en faveur des fusions étoile à neutrons-trou noir si les trous noirs avaient des spins élevés et de faibles masses. Cependant, les scientifiques n’ont pas encore observé ce genre de trous noirs dans les deux fusions détectées à ce jour.
Chen et ses collègues espèrent que, alors que LIGO et Virgo reprendront leurs observations l’année prochaine, davantage de détections amélioreront les estimations de l’équipe concernant la vitesse à laquelle chaque fusion produit des éléments lourds. Ces taux, à leur tour, peuvent aider les scientifiques à déterminer l’âge des galaxies lointaines, en fonction de l’abondance de leurs divers éléments.
“Vous pouvez utiliser les métaux lourds de la même manière que nous utilisons le carbone pour dater les restes de dinosaures”, explique Vitale. « Parce que tous ces phénomènes ont des taux intrinsèques et des rendements différents en éléments lourds, cela affectera la façon dont vous attachez un horodatage à une galaxie. Donc, ce genre d’étude peut améliorer ces analyses.
Référence : « The Relative Contribution to Heavy Metals Production from Binary Neutron Star Mergers and Neutron Star–Black Hole Mergers » par Hsin-Yu Chen, Salvatore Vitale et François Foucart, 25 octobre 2021, Lettres de revues astrophysiques.
DOI : 10.3847 / 2041-8213 / ac26c6
Cette recherche a été financée en partie par Nasa, la National Science Foundation et le laboratoire LIGO.
