Première détection d'un élément lourd né de la collision entre étoiles à neutrons
Publié par Adrien le 24/10/2019 à 08:00
Source: ESO
Du strontium a pour la toute première fois été détecté dans l'espace. La création de cet élément lourd fait suite à la fusion de deux étoiles à neutrons. Cette découverte a été effectuée par le spectrographe X-shooter qui équipe le Very Large Telescope de l'ESO. Elle fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il...) d'une publication ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...) au sein de la revue Nature. Cette détection confirme la possibilité que les éléments les plus lourds de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) se forment lors de la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance...) d'étoiles à neutrons, complétant ainsi le puzzle de la formation des éléments chimiques.


En 2017, suite à la détection d'ondes gravitationnelles traversant la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes....), l'ESO a pointé ses télescopes chiliens, au premier rang ( Mathématiques En algèbre linéaire, le rang d'une famille de vecteurs est la dimension du sous-espace vectoriel engendré par cette famille. Le théorème...) desquels le VLT, en direction de l'événement source: une fusion d'étoiles à neutrons baptisée GW170817. D'après les astronomes, si les collisions d'étoiles à neutrons s'accompagnaient de la formation d'éléments plus lourds, les signatures de ces éléments pourraient être détectées au sein des kilonovae, ou vestiges explosifs de ces fusions. C'est précisément ce que vient de réaliser une équipe de chercheurs européens, au moyen de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) acquises par l'instrument X-shooter installé sur le VLT de l'ESO.

Suite à l'événement GW170817, la flotte de télescopes de l'ESO a effectué le suivi de l'explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un volume plus grand, généralement sous forme de gaz. Plus cette transformation s'effectue rapidement, plus la...) de la kilonova sur une gamme étendue de longueurs d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.). L'instrument X-shooter a notamment acquis une série de spectres s'étendant de l'ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde intermédiaire entre celle de la lumière visible et celle des rayons X.) à l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des micro-ondes.). Une première analyse de ces spectres suggéra la présence d'éléments lourds au sein de la kilonova. Toutefois, les astronomes demeuraient incapables alors de les différencier les uns des autres.

“Une nouvelle analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister...) 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 (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.), démontrant par là-même que la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) des étoiles à neutrons s'accompagne de la création de cet élément dans l'Univers” précise Darach Watson de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation...) de Copenhague au Danemark, auteur principal de cette étude. Sur Terre, le strontium est naturellement présent dans le sol, et se trouve concentré dans certains minéraux. Ses sels sont utilisés pour conférer aux feux d'artifices une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) vif.

Les astronomes connaissent, depuis les années 1950, les processus physiques donnant lieu 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” ajoute Darach Watson. “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. Jusqu'à présent toutefois, nous ignorions la localisation du processus ultime - la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la...) rapide de neutrons, responsable de la création des éléments les plus lourds du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique.”

Lors du processus de capture rapide de neutrons, un noyau atomique (Le noyau atomique désigne la région située au centre d'un atome constituée de protons et de neutrons (les nucléons). La taille du noyau (10-15 m) est considérablement plus petite que celle de l'atome (10-10 m) et concentre...) capture des neutrons suffisamment rapidement pour permettre la création d'éléments très lourds. La plupart des éléments chimiques sont produits au coeur des étoiles. La formation d'éléments plus lourds que le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau...), tel le strontium, requiert toutefois des environnements portés à des températures bien plus élevées et composés de nombreux neutrons libres. La capture rapide de neutrons ne se produit naturellement que dans des environnements extrêmes, au sein desquels les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se...) sont bombardés par un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) élevé de neutrons.

“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, confirmant par là-même que les étoiles à neutrons sont composées de neutrons, et associant le processus de capture rapide de neutrons à ces fusions”, précise Camilla Juul Hansen de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) Max Planck dédié à l'Astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs...), Heidelberg (Heidelberg est une ville d'Allemagne située dans la vallée du Neckar, au nord-ouest du Land de Bade-Wurtemberg. Le nom de "Heidelberg" provient peut-être...), dont la contribution à cette étude s'avéra essentielle.

Les scientifiques commencent à peine à mieux comprendre les fusions d'étoiles à neutrons et les kilonovae. En raison de leur connaissance limitée de ces nouveaux phénomènes et d'autres interrogations soulevées par les spectres acquis par l'instrument X-shooter lors de l'explosion, les astronomes n'étaient pas en mesure d'identifier les éléments chimiques individuels jusqu'à présent.

“En fait, nous avons pensé que nous pourrions détecter le strontium peu après la survenue de l'événement. Toutefois, traduire cette idée en démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en s'appuyant sur un ensemble...) s'avéra particulièrement compliqué. Cette difficulté résultait de notre méconnaissance de l'apparence spectrale des éléments les plus lourds du tableau périodique”, explique Jonatan Selsing de l'Université de Copenhague, l'un des auteurs principaux de l'article.

L'événement baptisé GW170817 a donné lieu à la cinquième détection d'ondes gravitationnelles au moyen de l'instrument LIGO (LIGO (pour Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) est un projet d'interféromètre américain, destiné à détecter les ondes gravitationnelles.) (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) de la NSF aux Etats-Unis et de l'Interféromètre Virgo en Italie. Située dans la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) NGC 4993, la fusion fut la première, et à ce jour la seule source d'ondes gravitationnelles dont la contrepartie visible fit l'objet d'un suivi et d'une détection par des télescopes au sol.

Grâce aux efforts combinés de LIGO, de Virgo et du VLT, nous comprenons mieux que jamais le fonctionnement interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée...) des étoiles à neutrons et leurs fusions explosives.
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