Un matériau riche en neutrons est éjecté du disque, permettant le processus rapide de capture de neutrons (processus r). La région bleu clair est une éjection de matière particulièrement rapide, appelée jet, qui prend généralement naissance parallèlement à l’axe de rotation du disque. Crédit : Observatoire national de radioastronomie
Comment sont produits les éléments chimiques dans notre Univers ? D’où viennent les éléments lourds comme l’or et l’uranium ? À l’aide de simulations informatiques, une équipe de recherche du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung à Darmstadt, en collaboration avec des collègues de Belgique et du Japon, montre que la synthèse d’éléments lourds est typique de certains trous noirs avec des accumulations de matière en orbite, appelées disques d’accrétion. L’abondance prévue des éléments formés donne un aperçu des éléments lourds qui doivent être étudiés dans les futurs laboratoires – tels que l’Installation de recherche sur les antiprotons et les ions (FAIR), actuellement en construction – pour découvrir l’origine des éléments lourds. Les résultats sont publiés dans la revue Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
Tous les éléments lourds sur Terre aujourd’hui se sont formés dans des conditions extrêmes dans des environnements astrophysiques : à l’intérieur des étoiles, lors d’explosions stellaires et lors de la collision d’étoiles à neutrons. Les chercheurs sont intrigués par la question dans laquelle de ces événements astrophysiques existent les conditions appropriées pour la formation des éléments les plus lourds, tels que l’or ou l’uranium. La première observation spectaculaire de ondes gravitationnelles et le rayonnement électromagnétique provenant d’un étoile à neutrons fusion en 2017 a suggéré que de nombreux éléments lourds peuvent être produits et libérés dans ces collisions cosmiques. Cependant, la question reste ouverte de savoir quand et pourquoi le matériau est éjecté et s’il peut y avoir d’autres scénarios dans lesquels des éléments lourds peuvent être produits.
Des candidats prometteurs pour la production d’éléments lourds sont les trous noirs orbités par un disque d’accrétion de matière dense et chaude. Un tel système se forme à la fois après la fusion de deux étoiles à neutrons massives et lors d’un soi-disant collapsar, l’effondrement et l’explosion subséquente d’une étoile en rotation. La composition interne de tels disques d’accrétion n’a jusqu’à présent pas été bien comprise, notamment en ce qui concerne les conditions dans lesquelles un excès de neutrons se forme. Un nombre élevé de neutrons est une condition de base pour la synthèse d’éléments lourds, car il permet le processus rapide de capture de neutrons ou r-process. Les neutrinos pratiquement sans masse jouent un rôle clé dans ce processus, car ils permettent la conversion entre les protons et les neutrons.
Vue en coupe à travers la simulation d’un disque d’accrétion de l’étude du Dr Just et ses collègues.
Le trou noir au centre est entouré de matière en forme de tore de plusieurs centaines de kilomètres d’étendue. L’axe de rotation du disque est donné par l’axe z, qui passe à R=0 à travers le trou noir le long de la direction verticale. Les flèches illustrent la distribution des vitesses de la matière. L’ombrage des couleurs montre la densité (en haut à gauche), la fraction de protons Ye (en bas à gauche) et les échelles de temps caractéristiques de l’émission de neutrinos (en haut à droite) et de l’absorption des neutrinos (en bas à droite). Les valeurs de Ye inférieures à 0,5 indiquent une fraction élevée de neutrons disponibles pour le processus r. Crédit : GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research
« Dans notre étude, nous avons systématiquement étudié pour la première fois les taux de conversion des neutrons et des protons pour un grand nombre de configurations de disques au moyen de simulations informatiques élaborées, et nous avons constaté que les disques sont très riches en neutrons tant que certaines conditions sont remplies. rencontré », explique le Dr Oliver Just du groupe d’astrophysique relativiste de la division de recherche Théorie du GSI. « Le facteur décisif est la masse totale du disque. Plus le disque est massif, plus les neutrons sont formés à partir de protons par capture d’électrons sous émission de neutrinos, et sont disponibles pour la synthèse d’éléments lourds au moyen du processus r. Cependant, si la masse du disque est trop élevée, la réaction inverse joue un rôle accru de sorte que davantage de neutrinos sont recapturés par les neutrons avant qu’ils ne quittent le disque. Ces neutrons sont ensuite reconvertis en protons, ce qui entrave le processus r. » Comme le montre l’étude, la masse optimale du disque pour une production prolifique d’éléments lourds est d’environ 0,01 à 0,1 masse solaire. Le résultat fournit des preuves solides que les fusions d’étoiles à neutrons produisant des disques d’accrétion avec ces masses exactes pourraient être le point d’origine d’une grande partie des éléments lourds. Cependant, on ne sait pas actuellement si et à quelle fréquence de tels disques d’accrétion se produisent dans les systèmes collapsar.
En plus des processus possibles d’éjection de masse, le groupe de recherche dirigé par le Dr Andreas Bauswein étudie également les signaux lumineux générés par la matière éjectée, qui seront utilisés pour déduire la masse et la composition de la matière éjectée dans les futures observations de collision étoiles à neutrons. Un élément important pour lire correctement ces signaux lumineux est une connaissance précise des masses et des autres propriétés des éléments nouvellement formés. « Ces données sont actuellement insuffisantes. Mais avec la prochaine génération d’accélérateurs, comme FAIR, il sera possible de les mesurer avec une précision à l’avenir. L’interaction bien coordonnée des modèles théoriques, des expériences et des observations astronomiques nous permettra aux chercheurs dans les années à venir de tester les fusions d’étoiles à neutrons comme origine des éléments du processus r », prédit Bauswein.
Référence : « Absorption des neutrinos et autres dépendances physiques dans les neutrinos refroidis trou noir disques d’accrétion » de O Just, S Goriely, H-Th Janka, S Nagataki et A Bauswein, 8 octobre 2021, Avis mensuels de la Royal Astronomical Society.
DOI : 10.1093/mnras/stab2861
