Alchimie cosmique à la limite de l'univers observable

Les télescopes de la NASA ont détecté ce qui pourrait être le sursaut gamma le plus lointain jamais observé, produit par deux étoiles à neutrons se rapprochant en spirale l'une de l'autre et détonant dans une explosion catastrophique connue sous le nom de kilonova. L'événement, qui s'est produit à environ 8,5 milliards d'années-lumière de la Terre, a forgé des éléments lourds incluant l'or et le platine dans un éclair aveuglant qui a brièvement surpassé en éclat des galaxies entières.

La détection, rendue possible par les observations coordonnées de l'observatoire de rayons X Chandra, du télescope spatial James Webb et des observatoires terrestres, repousse la frontière de l'astronomie multi-messagers et fournit de nouvelles preuves sur la façon dont l'univers fabrique ses éléments les plus lourds.

D'où vient l'or

Pendant la majeure partie du XXe siècle, les scientifiques croyaient que tous les éléments plus lourds que le fer étaient produits dans des étoiles massives et dispersés dans l'espace lorsque ces étoiles explosaient en supernovae. Ce scénario a été complètement remis en question en 2017 lorsque les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et des dizaines de télescopes ont observé une fusion d'étoiles à neutrons dans la galaxie NGC 4993, à seulement 130 millions d'années-lumière de distance. Cet événement, désigné GW170817, a confirmé que les fusions d'étoiles à neutrons sont des usines prolifiques des éléments les plus lourds du tableau périodique.

La physique est extraordinaire. Lorsque deux étoiles à neutrons entrent en collision, l'impact libère une énorme rafale de neutrons — bien plus que ce qui est disponible dans tout autre environnement astrophysique. Ces neutrons sont capturés par les noyaux atomiques dans un processus appelé capture rapide de neutrons, ou processus r, construisant des éléments de plus en plus lourds en fractions de seconde. L'or, le platine, l'uranium et de nombreux autres éléments lourds sont assemblés dans ce creuset riche en neutrons et éjectés dans l'espace à des fractions significatives de la vitesse de la lumière.

La kilonova récemment détectée à 8,5 milliards d'années-lumière représente le même processus observé à une distance bien plus grande et bien plus tôt dans l'histoire cosmique. Lorsque la lumière de cette explosion a été émise, l'univers n'avait que environ 5 milliards d'années — moins de la moitié de son âge actuel. Détecter des éléments du processus r à cette époque dit aux astronomes que les fusions d'étoiles à neutrons enrichissaient déjà le cosmos avec des éléments lourds lorsque l'univers était relativement jeune.

Une adresse cosmique inhabituelle

Ce qui rend cette détection particulièrement intrigante est la localisation de la kilonova. Plutôt que de se produire dans une seule galaxie, la fusion s'est produite dans un courant de marée — un ruban d'étoiles et de gaz arraché aux galaxies par des interactions gravitationnelles lors de la fusion d'un groupe. Plusieurs galaxies de l'amas sont en train de entrer en collision et de fusionner, créant des courants complexes de débris qui s'étendent sur des centaines de milliers d'années-lumière.

Les systèmes binaires d'étoiles à neutrons — des paires d'étoiles à neutrons en orbite l'une autour de l'autre — peuvent prendre des milliards d'années pour spiraler suffisamment près pour fusionner. Pendant ce temps, les interactions gravitationnelles peuvent expulser le système binaire de sa galaxie mère. Trouver une kilonova dans un courant de marée suggère que la paire d'étoiles à neutrons peut avoir été expulsée de l'une des galaxies en fusion et avoir passé des milliards d'années à la dérive dans l'espace intergalactique avant de finalement entrer en collision.

Cela a des implications pour comprendre comment les éléments lourds sont distribués dans tout le cosmos. Si une fraction significative des fusions d'étoiles à neutrons se produisent en dehors des galaxies — dans les courants de marée, les halos galactiques ou l'espace intergalactique — alors les éléments lourds qu'elles produisent peuvent enrichir le gaz diffus entre les galaxies plutôt que d'être recyclés en nouvelles étoiles et planètes dans les galaxies.

Détecter les signaux les plus faibles

Observer une kilonova à 8,5 milliards d'années-lumière a nécessité une sensibilité extraordinaire. Le sursaut gamma initial a été détecté par l'observatoire Swift de la NASA, qui a identifié le flash haute énergie et alerté d'autres télescopes sur la localisation de l'événement. Chandra a ensuite détecté la lueur de rayons X, qui a fourni des informations de position précises. Le télescope spatial James Webb a observé l'émission infrarouge caractéristique des éléments du processus r, dont la désintégration radioactive produit une lueur rouge distinctive qui persiste pendant des jours à des semaines après la fusion.

La signature infrarouge est la preuve irréfutable de la production d'éléments lourds. Différents éléments produisent différentes caractéristiques spectrales à mesure que leurs isotopes radioactifs se désintègrent, et le spectromètre infrarouge sensible de JWST a pu identifier les empreintes digitales de plusieurs éléments lourds dans la lueur décroissante de la kilonova. Cette confirmation spectroscopique est ce qui distingue une kilonova des autres types d'événements transitoires.

Implications pour la chimie cosmique

Chaque détection de kilonova aide les astronomes à construire une image statistique de la quantité de matière d'éléments lourds que les fusions d'étoiles à neutrons produisent et de la fréquence à laquelle ces événements se produisent au cours du temps cosmique. Les estimations actuelles suggèrent que les fusions d'étoiles à neutrons peuvent expliquer la majeure partie de l'or, du platine et d'autres éléments du processus r observés dans l'univers, bien qu'une contribution de supernovae et d'autres sources reste possible.

La distance record de cette détection étend la ligne de base observationnelle jusqu'à une époque où les galaxies s'assemblaient encore activement. Comprendre le taux de fusions d'étoiles à neutrons à cette époque contraint les modèles d'évolution binaire stellaire, de formation d'étoiles à neutrons et d'évolution chimique de l'univers primordial.

Chaque atome d'or sur Terre — dans les bijoux, l'électronique, les coffres des banques centrales — a probablement été forgé dans un événement comme celui-ci, il y a des milliards d'années, dans les derniers moments violents de deux étoiles mortes entrant en collision à un tiers de la vitesse de la lumière. Cette dernière détection nous rappelle que même les matériaux les plus familiers ont des origines qui sont tout sauf ordinaires.

Cet article est basé sur des reportages de Universe Today. Lire l'article original.