Les astronomes ont découvert un lieu de naissance auparavant inconnu de certains des éléments les plus rares de l'univers: une évasion géante déclenchée par une étoile supermagnétisée. Les astronomes ont calculé que ces fusées éclairantes pourraient être responsables de forger jusqu'à 10% de l'or, du platine et d'autres éléments lourds de notre galaxie.
La découverte résout également un mystère de plusieurs décennies concernant un flash lumineux de lumière et des particules repérés par un télescope spatial en décembre 2004. La lumière provenait d'une magnétar – un type d'étoile enveloppée dans des champs magnétiques des milliards de fois aussi forts que la Terre – qui avait déclenché une évasion géante.
La puissante explosion de rayonnement n'a duré que quelques secondes, mais elle a libéré plus d'énergie que le soleil en 1 million d'années. Alors que l'origine de la Flare a été rapidement identifiée, un deuxième signal plus petit de l'étoile, culminant 10 minutes plus tard, a confondu les scientifiques à l'époque. Pendant 20 ans, ce signal est devenu inexpliqué.
Maintenant, une nouvelle perspicacité des astronomes du Center for Computational Astrophysics (CCA) du Flatiron Institute à New York a révélé que le signal inexpliqué plus petit a marqué la rare naissance d'éléments lourds tels que l'or et le platine. En plus de confirmer une autre source de ces éléments, les astronomes ont estimé que la Flare de 2004 à elle seule a produit l'équivalent d'un tiers de la masse de la Terre dans les métaux lourds. Ils signalent leur découverte dans un article publié le 29 avril Les lettres de journal astrrophysique.
« Ce n'est vraiment que la deuxième fois que nous voyons directement la preuve de la formation de ces éléments », a déclaré le premier à Neutron Star Mergers, explique le co-auteur de l'étude Brian Metzger, chercheur principal au CCA et professeur à l'Université Columbia. « C'est un saut substantiel dans notre compréhension de la production d'éléments lourds. »
La plupart des éléments que nous connaissons et aimons aujourd'hui n'étaient pas toujours là. L'hydrogène, l'hélium et une pincée de lithium se sont formés dans le Big Bang, mais presque tout le reste a été fabriqué par des étoiles dans leur vie ou pendant leur mort violente. Alors que les scientifiques comprennent complètement où et comment les éléments plus légers sont fabriqués, les emplacements de production de nombreux éléments les plus riches en neutrons – ceux plus lourds que le fer – sont incomplets.
Ces éléments, qui incluent l'uranium et le strontium, sont produits dans un ensemble de réactions nucléaires connues sous le nom de processus rapide de capture de neutrons, ou procédé R. Ce processus nécessite un excès de neutrons libres – quelque chose qui ne peut être trouvé que dans des environnements extrêmes. Les astronomes s'attendaient donc à ce que les environnements extrêmes créés par les supernovae ou les fusions d'étoiles à neutrons soient les sites potentiels les plus prometteurs.
Ce n'est qu'en 2017 que les astronomes ont pu confirmer un site de RPROCESSE lorsqu'ils ont observé la collision de deux étoiles à neutrons. Ces étoiles sont les restes effondrés d'anciens géants stellaires et sont faits d'une soupe de neutrons si denses qu'une seule cuillère à soupe pèserait plus d'un milliard de tonnes. Les observations de 2017 ont montré que la collision cataclysmique de deux de ces étoiles crée l'environnement riche en neutrons nécessaires à la formation d'éléments du processus R.
Cependant, les astronomes ont réalisé que ces rares collisions ne peuvent pas tenir compte de tous les éléments de R-Process que nous voyons aujourd'hui. Certains soupçonnaient que les aimantars, qui sont des étoiles à neutrons très magnétisées, pourraient également être une source.
Metzger et ses collègues ont calculé en 2024 que les poussées géantes pourraient éjecter du matériel de la croûte d'une magnétar dans l'espace, où les éléments du processus R pourraient se former.
« Il est assez incroyable de penser que certains des éléments lourds qui nous entourent, comme les métaux précieux de nos téléphones et ordinateurs, sont produits dans ces environnements extrêmes fous », explique Anirudh Patel, doctorant à l'Université Columbia et auteur principal de la nouvelle étude.
Les calculs du groupe montrent que ces poussées géantes créent des noyaux radioactifs lourds instables, qui se décomposent en éléments stables tels que l'or. Au fur et à mesure que les éléments radioactifs se décomposent, ils émettent une lueur de lumière, en plus de frapper de nouveaux éléments.
Le groupe a également calculé en 2024 que la lueur des désintégrations radioactives serait visible comme une rafale de rayons gamma, une forme de lumière très énergique. Lorsqu'ils ont discuté de leurs résultats avec des astronomes de rayons gamma observationnels, le groupe a appris qu'en fait, un de ces signal avait été vu des décennies plus tôt qui n'avait jamais été expliqué. Puisqu'il y a peu de chevauchement entre l'étude de l'activité magnétaire et de la science de la synthèse des éléments lourds, personne n'avait déjà proposé la production d'éléments comme cause du signal.
« L'événement avait été oublié au fil des ans », explique Metzger. « Mais nous avons très rapidement réalisé que notre modèle était un ajustement parfait pour cela. »
Dans le nouvel article, les astronomes ont utilisé les observations de l'événement de 2004 pour estimer que la Flare a produit 2 millions de milliards de kilogrammes d'éléments lourds (à peu près équivalent à la masse de Mars). De cela, ils estiment qu'un à 10% de tous les éléments du processus R de notre galaxie aujourd'hui ont été créés dans ces fusées géantes. Le reste pourrait provenir de fusions de star à neutrons, mais avec une seule évasion géante magnétar et une fusion jamais documentée, il est difficile de connaître les pourcentages exacts – ou si c'est même toute l'histoire.
« Nous ne pouvons pas exclure qu'il pourrait y avoir des troisième ou quatrième sites que nous n'avons pas encore vu », explique Metzger.
« La chose intéressante à propos de ces fusées géantes est qu'elles peuvent se produire très tôt dans l'histoire galactique », ajoute Patel. « Les fusées éclairantes géantes à magnétar pourraient être la solution à un problème que nous avons eu où il y a plus d'éléments lourds dans les jeunes galaxies que ce qui pourrait être créé à partir de collisions d'étoiles à neutrons. »
Pour affiner les pourcentages, davantage de fusées géantes magnétar doivent être observées. Des télescopes comme le spectromètre Compton de la NASA et la mission Imageer, qui se déroulent en 2027, aideront à mieux capturer ces signaux. Les grandes fusées magnétaires semblent se produire toutes les quelques décennies dans la Voie lactée et environ une fois par an à travers l'univers visible – mais l'astuce consiste à l'attraper à temps.
« Une fois qu'une rafale de rayons gamma est détectée, vous devez pointer un télescope ultraviolet à la source en 10 à 15 minutes pour voir le pic du signal et confirmer que les éléments du processus R y sont faits », explique Metzger. « Ce sera une poursuite amusante. »
