Comprendre l'origine des éléments lourds sur le tableau périodique est l'un des problèmes ouverts les plus difficiles de toute la physique. Dans la recherche de conditions adaptées à ces éléments via une «nucléosynthèse», une équipe dirigée par Los Alamos National Laboratory va où aucun chercheur n'est allé auparavant: le jet d'éclatement de rayons gamma et le cocoon émergeant des étoiles effondrées.
Comme proposé dans un article dans Le journal astrophysiqueles photons à haute énergie produits au fond du jet pourraient dissoudre les couches externes d'une étoile en neutrons, provoquant une série de processus physiques qui entraînent la formation d'éléments lourds.
« La création d'éléments lourds tels que l'uranium et le plutonium nécessite des conditions extrêmes », a déclaré Matthew Mumpower, physicien de Los Alamos. « Il n'y a que quelques scénarios viables mais rares dans le cosmos où ces éléments peuvent se former, et tous ces emplacements ont besoin d'une grande quantité de neutrons. Nous proposons un nouveau phénomène où ces neutrons ne préexistent pas mais sont produits dynamiquement dans l'étoile. »
Les neutrons gratuits ont une courte demi-vie d'environ 15 minutes, ce qui limite les scénarios dans lesquels ils sont disponibles dans l'abondance requise pour former des éléments lourds. La clé pour produire les éléments les plus lourds du tableau périodique est connu sous le nom de processus rapide de capture de neutrons, ou «processus R», et il est considéré comme responsable de la production de tous les accessoires naturels, de l'uranium et du plutonium dans l'univers.
Le cadre de l'équipe prend la physique difficile du processus R et les résout en proposant des réactions et des processus autour des effondrements d'étoiles qui pourraient entraîner une formation d'éléments lourds.
En plus de comprendre la formation d'éléments lourds, le cadre proposé aide à répondre aux questions critiques concernant le transport des neutrons, les simulations multiphysiques et l'observation d'événements rares – qui sont intéressants pour les applications de sécurité nationale qui peuvent glaner les idées de la recherche.
Comme un train de marchandises qui laboure la neige
Dans le scénario, la virile propose, une étoile massive commence à mourir alors que son combustible nucléaire s'épuise. Je ne peux plus pousser contre sa propre gravité, un trou noir se forme au centre de l'étoile. Si le trou noir tourne suffisamment rapidement, les effets de tracage du cadre de la gravité extrêmement forte près du trou noir serpentent le champ magnétique et lancent un jet puissant. Grâce à des réactions ultérieures, un large spectre de photons est créé, dont certains sont à haute énergie.
Le jet explose à travers l'étoile devant lui, créant un cocon chaud de matériau autour du jet, « comme un train de marchandises qui laboure la neige », a déclaré Mumpower. À l'interface du jet avec le matériau stellaire, les photons à haute énergie (c'est-à-dire la lumière) peuvent interagir avec les noyaux atomiques, transmutant les protons aux neutrons.
Les noyaux atomiques existants peuvent également être dissous en nucléons individuels, créant plus de neutrons libres pour alimenter le processus R. Les calculs de l'équipe suggèrent que l'interaction avec la lumière et la matière peut créer des neutrons incroyablement rapidement, à l'ordre d'une nanoseconde.
En raison de leur charge, les protons sont piégés dans le jet par les champs magnétiques forts. Les neutrons, qui sont sans charge, sont labourés du jet dans le cocon. Ayant connu un choc relativiste, les neutrons sont extrêmement denses par rapport au matériau stellaire environnant, et donc le processus R peut s'ensuivre, avec des éléments lourds et des isotopes forgés puis expulsés dans l'espace lorsque l'étoile est déchirée.
Le processus de protons convertissant en neutrons, ainsi que des neutrons libres qui s'échappent dans le cocon environnant pour former des éléments lourds, implique un large éventail de principes de physique et englobe les quatre forces fondamentales de la nature: un véritable problème multiphysique, combinant les zones de la physique atomique et nucléaire avec l'hydrodynamique et la relativité générale.
Malgré les efforts de l'équipe, de plus en plus de défis restent alors que les isotopes lourds créés pendant le processus R n'ont jamais été faits sur Terre. Les chercheurs en savent peu sur leurs propriétés, comme leur poids atomique, leur demi-vie, etc.
Une explication des phénomènes inhabituels?
Le cadre de jet à haute énergie proposé par l'équipe peut aider à expliquer l'origine de Kilonova – une lueur de rayonnement électromagnétique optique et infrarouge – associé à des rafales de rayons gamma de longue durée. Les Kilonovas ont été principalement associés à la collision de deux étoiles à neutrons ou à la fusion d'une étoile à neutrons et d'un trou noir.
Ces collisions intenses sont une méthode possible pour confirmer avec des observations les usines cosmiques de la formation d'éléments lourds. La dissolution des étoiles via un jet de photon à haute énergie offre une origine alternative pour la production d'éléments lourds et le kilonova qu'ils peuvent fabriquer, une possibilité qui ne soit pas auparavant associée aux étoiles qui s'effondrent.
De même, les scientifiques ont observé le fer et le plutonium dans les sédiments en haute mer. Ces dépôts, après étude, sont confirmés comme provenant de sources extraterrestres, mais comme avec les phénomènes produisant du kilonova, l'emplacement spécifique ou l'événement cosmique reste insaisissable. Le scénario de jet à haute énergie Collapsar représente une possibilité intrigante comme source de ces éléments lourds trouvés sous la mer.
Pour mieux comprendre le cadre proposé, Humpower et son équipe espèrent exécuter des simulations sur leurs modèles, y compris les interactions microphysiques complexes.
