mardi 15 septembre 2020

Le processus astrophysique à l'origine de l'Or encore en question


L'événement gravitationnel GW170817 correspondant à la fusion de deux étoiles à neutrons avec la détection simultanée d'une contrepartie électromagnétique dans toutes les longueurs d'ondes avaient permis aux astrophysiciens de déterminer q'un tel événement pouvait être à l'origine de la production d'éléments lourds, comme l'or en particulier. Mais une nouvelle étude venant de paraître calcule exactement toutes les sources astrophysiques des éléments chimiques, et l'or reste un cas à part : il n'y a pas assez de fusions d'étoiles à neutrons pour fabriquer tout l'or des galaxies... Une étude acceptée pour publication dans The Astrophysical Journal.


Chiaki Kobayashi (University of Hertfordshire, UK) et ses collaborateurs en Australie et en Hongrie ont exploré la production des éléments de la table de Mendeleiev, du carbone à l'uranium, créant une nouvelle table périodique des éléments avec leur origine cosmique. Et tous les éléments (excepté l'hydrogène) sont produits par plusieurs mécanismes physiques de nucléosynthèse. 
Tous les éléments à partir du carbone sont produits à l'intérieur des étoiles et au cours de phénomènes parfois violents comme des explosions d'étoiles ou bien des collisions d'étoiles à neutrons. Tous ces éléments se retrouvent un jour ou l'autre éparpillés façon puzzle aux quatre coins des galaxies et sont réintégrés dans les étoiles de génération suivante et dans les poussières qui les entourent qui finiront par former des planètes et les bestioles qui vivent dessus. 
Les réactions nucléaires qui forgent les éléments lourds sont aussi celles qui sont à l'origine de l'énergie qui fait briller les étoiles au cours de leur vie normale, jusqu'à ce que le fer soit produit, puis de l'énergie fabuleuse des supernovas lorsqu'elles explosent. 
Les chercheurs déterminent que les étoiles de masse plus faible que 8 masses solaires produisent du carbone, de l'azote et du fluor. L'oxygène et le calcium sont majoritairement produits par les étoiles de plus de 8 masses solaires lorsqu'elles explosent. La moitié du carbone est créé par des étoiles de faible masse qui n'explosent pas, l'autre moitié provenant de supernovas. Le fer se distribue également à peu près à part égale entre supernovas à effondrement de coeur (type II) et supernovas de type Ia.

Jusqu'à maintenant, les astrophysiciens pensaient que la moitié des éléments plus lourds que le fer, jusqu'au thorium et à l'uranium, en passant par le plomb ou l'or, étaient produits lors de collisions d'étoiles à neutrons. Mais Kobayashi et ses collègues montrent que ce phénomène a dû être très surestimé. D'après leurs évaluations, les collisions/fusion d'étoiles à neutrons n'ont pas pu créer suffisamment d'éléments lourds, que ce soit dans l'Univers jeune, ou bien encore actuellement, tout simplement parce que la fréquence de ces fusions d'étoiles à neutrons est trop faible pour expliquer la quantité d'or et autres éléments lourds qui est observée, notamment dans les étoiles les plus vieilles...
Les chercheurs ont construit un modèle d'évolution chimique galactique pour tous les éléments depuis le carbone en partant des principes de base de la nucléosynthèse stellaire (les taux de réactions nucléaires) et des taux d'occurence des processus astrophysiques à l'origine des ces différentes réactions nucléaires et donc sources des enrichissements particuliers dans certains éléments, et cela en prenant en compte les différentes populations d'étoiles dans le temps. C'est en développant un tel modèle exhaustif qu'ils arrivent à prédire l'origine des éléments en fonction du temps et de l'environnement, comme par exemple le fait que l'or doit être produit en grande partie par un autre mécanisme que la fusion des étoiles à neutrons... Le "tableau périodique" qu'ils construisent donne ainsi pour chaque élément l'origine de sa production (explosion d'étoile massive, explosion de naine blanche, évaporation d'étoile peu massive, ou fusion d'étoiles à neutrons), mais l'évolution dans le temps moyenne de cette production.

Les astrophysiciens démontrent par exemple que les éléments qui forment un premier pic d'abondance (strontium, yttrium et zirconium) sont suffisamment produits par les supernovas à capture électronique et les étoiles géantes de la branche asymptotique (AGB). Les éléments formant le deuxième et le troisième pic d'abondance (respectivement le baryum et le plomb) sont bien reproduits par les processus de captures neutroniques lentes (ce que les spécialistes nomment le s-process) dans les étoiles AGB.
Les éléments comme l'or, le thorium ou l'uranium ont besoin de captures de neutrons rapides (r-process), qui sont typiquement rencontrées dans les collisions d'étoiles à neutrons.  Il n'y a pas que l'or qui pose problème, mais aussi d'autres éléments qui requièrent une capture rapide de neutrons pour se former, comme l'astate, le chlore ou le scandium par exemple.

Pour pallier se défaut de production de captures neutroniques rapides pour former les éléments les plus lourds, notamment pour savoir pourquoi l'argent est correctement produit dans les calculs, mais pas l'or, Kobayashi et ses collaborateurs proposent une route alternative aux collisions d'étoiles à neutrons : Il faudrait qu'environ 3% des hypernovas de l'ordre de 50 masses solaires soient de type magnéto-rotationnelles, c'est à dire des supernovas atypiques qui ont une très grande vitesse de rotation et un champ magnétique lui aussi très élevé. Ces deux conditions peuvent permettre l'apparition de processus r lors de l'explosion, et donc la production des éléments les plus lourds.

Cette étude est la première du genre à calculer l'origine de la totalité des éléments naturels à partir du carbone en partant des réactions nucléaires des processus qui rythment la vie des étoiles de tous types et des taux d'occurence de ces processus. Mais il reste des incertitudes inhérentes aux propriétés de certains noyaux très riches en neutrons qui sont importantes à prendre en compte dans la production des noyaux lourds via le processus r. Des expériences de physique nucléaire utilisant des faisceaux de noyaux exotiques seront donc très utiles en appui de ces calculs. 

In fine, il est possible que dans le futur, le nombre d'événements de fusions d'étoiles à neutrons soit revu à la hausse à la faveur de nouvelles détections, ce qui éviterait d'avoir recours à d'hypothétiques hypernovas issues d'étoiles en rotation très rapides fortement magnétisées pour expliquer la quantité d'or qu'on observe et dont on use à tout va ici bas.


Source

The Origin of Elements from Carbon to Uranium
Chiaki Kobayashi et al.
à paraître dans The Astrophysical Journal (2020)


Illustration

Le tableau périodique des éléments indiquant leur origine et l'évolution de leur production au cours du temps cosmologique (Kobayashi et al.)