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Première détection d’un élément lourd né de la collision d’étoiles à neutrons

Illustration artistique montrant deux étoiles à neutrons de faibles dimensions.

Cette illustration artistique montre deux étoiles à neutrons de faibles dimensions, et de densités élevées, sur le point de fusionner et d’exploser en kilonova. À l’avant-plan figure une représentation du strontium nouvellement créé.

Photo : ESO/L. Calçada/M. Kornmesser

Alain Labelle

Du strontium, un élément chimique notamment utilisé dans la confection des feux d’artifice rouges, a été détecté pour la première fois dans l’espace à l’aide du Très Grand Télescope (TGT) de l'Observatoire européen austral (ESO) situé au Chili.

Cette détection confirme la possibilité que les éléments les plus lourds de l’Univers se forment lors de la fusion d’étoiles à neutrons et permet de compléter le casse-tête de la formation des éléments chimiques.

Pour la toute première fois, nous sommes en mesure d’établir un lien direct entre la création d’un nouvel élément par capture de neutrons et la fusion d’étoiles à neutrons.

Camilla Juul Hansen de l’Institut Max Planck

En 2017, à la suite de la détection d’ondes gravitationnelles traversant la Terre, l’ESO a dirigé ses télescopes chiliens en direction de l’événement source : une fusion d’étoiles à neutrons élégamment baptisée GW170817.

Selon une théorie en astronomie, si de telles collisions s’accompagnent de la formation d’éléments plus lourds, les signatures de ceux-ci peuvent être détectées dans les vestiges explosifs de ces fusions d’étoiles (appelés kilonova).

C’est ce que vient de réaliser l’équipe de l’ESO, dont le travail est décrit dans la revue Nature du 24 octobre.

Après l’événement GW170817, l’ESO a effectué le suivi de l’explosion de la kilonova sur une gamme étendue de longueurs d’onde.

L’instrument X-Shooter du TGT a notamment acquis une série de spectres s’étendant de l’ultraviolet à l’infrarouge.

Une première analyse de ces spectres montrait la présence d’éléments lourds au sein de la kilonova. Toutefois, les astronomes demeuraient alors incapables de les différencier les uns des autres.

Une nouvelle analyse des données acquises en 2017, lors de la fusion, a récemment permis d’identifier la signature de l’un des éléments lourds composant cette boule de feu, démontrant par là même que la collision des étoiles à neutrons s’accompagne de la création de cet élément dans l’Univers.

Darach Watson, professeur associé à l’Université de Copenhague, au Danemark

Cet élément, le strontium, est naturellement présent sur Terre dans le sol et se trouve concentré dans certains minéraux.

L’espace et le casse-tête des éléments

Depuis les années 1950, les astronomes connaissent les processus physiques qui mènent à la création des éléments chimiques. Au fil des décennies suivantes, ils ont découvert les sites cosmiques de chacune de ces forges nucléaires, à l’exception d’une.

Cette découverte sonne la fin de notre quête de l’origine des éléments chimiques.

Nous savons désormais que les processus conduisant à la formation des éléments chimiques se produisent pour la plupart au sein des étoiles ordinaires, lors des explosions de supernovae, ou dans les enveloppes externes des vieilles étoiles, explique Darach Watson.

Jusqu’à présent toutefois, nous ignorions la localisation du processus ultime, la capture rapide de neutrons, responsable de la création des éléments les plus lourds du tableau périodique.

Darach Watson

Lors de cette capture, un noyau atomique capture des neutrons suffisamment rapidement pour permettre la création d’éléments très lourds.

En fait, nous avons pensé que nous pourrions détecter le strontium peu après la survenue de l’événement. Toutefois, traduire cette idée en démonstration s’est avéré particulièrement compliqué, affirme Jonatan Selsing de l’Université de Copenhague.

Cette difficulté résultait de notre méconnaissance de l’apparence spectrale des éléments les plus lourds du tableau périodique.

Jonatan Selsing

L’événement GW170817 a donné lieu à la cinquième détection d’ondes gravitationnelles au moyen de l’instrument LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) et de l’Interféromètre Virgo, en Italie.

Les toutes premières ont été détectées le 14 septembre 2015.

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