Une étoile à neutrons est un astre très dense résultant de l'effondrement gravitationnel d'une grosse étoile explosant en supernova SN II. Lorsqu'elles sont en couple, les étoiles à neutrons peuvent finir par entrer en collision et fusionner, engendrant une bouffée d'ondes gravitationnelles et une puissante émission d'ondes électromagnétiques dans toutes les longueurs d'onde, dont le visible ; cette émission est détectable sous forme de sursauts gamma. © Dana Berry, SkyWorks Digital

Sciences

Une nouvelle collision d'étoiles à neutrons productrice d'or a été observée

ActualitéClassé sous :Astronomie , Etoile à Neutrons , Supernova

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Grâce à l'observation de la kilonova derrière la source d'ondes gravitationnelles GW 170817, on sait mieux comment détecter ces explosions en utilisant une signature infrarouge caractéristique. En compulsant des archives, une kilonova observée par Hubble en 2016, et associée au sursaut gamma court GRB160821B, a été découverte.

Vers la fin des années 1960, les satellites Vela lancés pour surveiller d'éventuels tests atomiques dans l'atmosphère ou l'espace -- en violation des accords passés qui les interdisaient -- font la découverte des fameux sursauts gamma, les gamma-ray bursts (GRB) en anglais. On ne commencera à comprendre leur nature que des décennies plus tard. Les GRB courts -- c'est-à-dire ceux durant quelques secondes tout au plus, par opposition aux sursauts longs durant plus longtemps -- sont interprétés comme des collisions d'étoiles à neutrons. On va désigner l'explosion qui en résulte sous le terme de kilonova à partir de 2010 et des signatures spécifiques ont été envisagées. Auparavant, des contreparties dans des bandes autres que gamma pour des GRB courts avaient déjà été observées.

Une kilonova est environ 1.000 fois plus lumineuse qu'une nova provoquée par une explosion thermonucléaire récurrente à la surface d'une naine blanche accrétant de la matière alors qu'une supernova est environ 100 fois plus brillante qu'une kilonova. On a détecté des candidats au titre de kilonova depuis le début des années 2000 et notamment en 2013. Mais il a fallu attendre l'essor de l'astronomie gravitationnelle et la détection en 2017 de la source GW 170817 par Ligo et Virgo pour conclure que l'on avait vraiment observé pour la première fois une kilonova et que le sursaut gamma court associé, GRB 170817A, détecté à la fois par les satellites Fermi et Integral, était bel et bien le produit d'une collision entre deux étoiles à neutrons. Les ondes gravitationnelles mesurées par les deux détecteurs avaient en effet permis de localiser la collision sur la voûte céleste où la contrepartie en gamma avait été trouvée.

Dans cette vidéo d’artiste, figurent deux étoiles à neutrons de faible dimension mais de densité très élevée sur le point de fusionner et d’exploser en kilonova. Cet événement particulièrement rare devrait se traduire par l’émission d’ondes gravitationnelles et de sursauts gamma courts. Les deux émissions ont été effectivement observées le 17 août 2017 respectivement par Ligo-Virgo et Fermi/Integral. Diverses observations détaillées menées au moyen des télescopes de l’ESO ont confirmé la nature de cet objet – une kilonova – situé au sein de la galaxie NGC 4993 à quelque 130 millions d’années lumière de la Terre. Ce type d’objet constitue la principale source d’éléments chimiques lourds, tels l’or et le platine, dans l’Univers. © ESO

Des kilonovae avec un rayonnement infrarouge caractéristique

Les calculs indiquaient en première approximation qu'une kilonova devait être peu lumineuse dans le visible et dans le domaine des ultraviolets à cause de l'opacité de la matière éjectée par l'explosion. Mais il devait en être tout autrement dans celui des infrarouges proches, ce qui avait d'ailleurs permis à Hubble en 2013 d'observer le sursaut gamma court GRB 130603B et de suggérer que l'on voyait bien associée une kilonova.

En 2016, un sursaut gamma court, GRB160821B, avait aussi été observé avec Hubble et également avec les instruments équipant le télescope Swift (Neil Gehrels Swift Observatory en anglais) un télescope spatial multi spectral (rayons X durs et mous, ultraviolet et lumière visible). Mais, au grand désappointement des astrophysiciens, les émissions dans l'infrarouge ne correspondaient pas aux prédictions théoriques des modèles développés à ce moment-là.

Mais aujourd'hui, en tenant compte des observations faites avec GRB 170817A -- qui elles non plus ne collaient pas avec les prédictions de ces modèles dans l'infrarouge --, une équipe dirigée par Eleonora Troja, chercheuse associée au département d'astronomie de l'Université du Maryland, a réexaminé les données concernant GRB160821B. Il s'est avéré que, cette fois-ci, les nouvelles prédictions étaient en bon accord avec les observations : « Nous avons examiné nos anciennes données avec de nouveaux yeux et nous nous sommes rendu compte que nous avions débusqué une kilonova en 2016. C'était un matching presque parfait. Les données infrarouges pour les deux événements ont des luminosités similaires et une échelle temporelle identique », explique l'astrophysicienne. Hubble avait donc bien photographié à ce moment là une kilonova !

Dans cette série animée d’images capturées par le télescope spatial Hubble de la Nasa, une kilonova (flèche rouge) récemment confirmée - une explosion cosmique qui crée d’énormes quantités d’or et de platine - s'estompe rapidement, à mesure que la réverbération de l’explosion s’efface sur une période de 10 jours. La kilonova a été à l'origine identifiée comme un sursaut standard de rayons gamma, mais une équipe d'astronomes dirigée par l'UMD a récemment revisité les données et découvert des preuves d'une kilonova. © Nasa, Esa/E. Troja

Cette découverte, exposée dans un article en accès libre sur arXiv, apporte avec un bonus. En effet, il s'était écoulé environ 12 heures entre la détection des ondes gravitationnelles pour GW 170817 et les observations dans le domaine électromagnétique pour GRB 170817A. Les données concernant GRB160821B sont plus précoces pour le développement des processus associés à une kilonova.

Selon Geoffrey Ryan, l'un des auteurs de l'article publié, « l'objet formé par la collision des étoiles à neutrons pourrait avoir été transitoirement une nouvelle étoile à neutrons plus massive et hautement aimantée, connue sous le nom de magnétar, qui a survécu à la collision, puis s'est effondrée en trou noir. Ce qui est intéressant, car la théorie suggère qu'un magnétar devrait ralentir, voire même arrêter la production de métaux lourds, source ultime de la signature infrarouge d'une kilonova ».

On comprend en effet maintenant que la plus faible luminosité dans l'infrarouge observé est due à la création de noyaux d'atomes lourds, en particulier d'or et de platine dont on sait qu'ils sont majoritairement les produits des kilonovae dans le cosmos observable.

Eleonora Troja et ses collègues entendent bien aller plus loin en réexaminant d'autres observations passées qui pourraient cacher des kilonovae, notamment détectées en infrarouge. Comme pour les supernovae, on peut s'attendre à ce qu'il existe plusieurs types de kilonovae.

  • Pour être synthétisés, les noyaux plus lourds que le fer ont besoin des intenses flux de neutrons des supernovae.
  • Mais les abondances des noyaux d'or et de platine laissent penser qu'il faut faire intervenir des collisions d'étoiles à neutrons, des kilonovae, pour en rendre compte.
  • Ces actinides et l'or sur Terre viendraient en partie d'une kilonova produite 80 millions d'années avant la naissance du Soleil et à environ 1.000 années-lumière.
  • Grâce à l'observation de la kilonova derrière la source d'ondes gravitationnelles GW 170817, on sait mieux comment détecter ces explosions en utilisant une signature infrarouge caractéristique.
  • En compulsant des archives, une kilonova observée par Hubble en 2016 et associée au sursaut gamma court GRB160821B, a été découverte.
Pour en savoir plus

L'or de la Terre proviendrait d'une collision d'étoiles à neutrons proche du Système solaire

Article de Laurent Sacco publié le 08/05/2019

Environ 80 millions d'années avant la naissance du Système solaire, une kilonova à seulement 1.000 années-lumière aurait produit certains des éléments lourds trouvés sur Terre et dans les météorites. Il s'agit des actinides mais aussi des noyaux d'or et de platine.

L'essor de la physique nucléaire dans les années 1930 et surtout de l'astrophysique nucléaire dans les années 1950 a permis de transformer la géochimie sur Terre en une véritable cosmochimie à l'échelle des étoiles et même des galaxies. Il a alors été possible de comprendre l'origine de la majorité des éléments découverts sur Terre, dans l'atmosphère du Soleil et dans les météorites, et que l'on retrouve également dans les atmosphères des autres étoiles, dans la Voie lactée ainsi que dans le milieu interstellaire.

En dehors de l'hydrogène, de l'hélium et leurs isotopes, sans oublier les noyaux de lithium, tous les autres éléments jusqu'au fer sont le produit de la nucléosynthèse dans les étoiles, en particulier celles qui sont massives et qui explosent en supernovae. Mais cette nucléosynthèse stellaire s'arrête au niveau du fer pour des raisons liées aux réactions nucléaires et aux propriétés des noyaux dans le cœur des étoiles.

Des neutrons, la recette pour les noyaux plus lourds que le fer

Pourtant, nous savons bien qu'il existe d'autres éléments plus lourds au-delà, et que plusieurs de leurs isotopes sont riches en neutrons. Ces faits peuvent trouver une explication si l'on suppose l'existence de flux intenses de neutrons qui injectent rapidement dans les noyaux ces nucléons. Certains de ces neutrons vont alors se désintégrer par radioactivité bêta en devenant des protons, ce qui va produire des éléments au-delà du fer.

Ce tableau des éléments chimiques montre les parts relatives des objets astrophysiques dans la nucléosynthèse. Certains noyaux sont produits par les supernovae SN II (bleu marine), d'autres par les naines blanches (White Dwarfs) lors des supernovae SN Ia et d'autres surtout par les collisions d'étoiles à neutrons comme l'or (Au). © Jennifer Johnson, SDSS, CC by 2.0

Ce processus r, comme on l'a appelé, se produit justement dans les supernovae de façon importante au moment où les noyaux précédemment synthétisés au cours des millions d'années sont injectés dans le milieu interstellaire. Ils feront partie plus tard de nouvelles générations d'étoiles, dont certaines vont s'entourer d'un cortège planétaire durable.

Toutefois, on avait bien du mal à rendre compte de l'abondance de certains éléments, en particulier de l'or et du platine, jusqu'à ce que l'on comprenne que les flux de neutrons demandés pour expliquer ces abondances pouvaient se trouver dans les collisions d'étoiles à neutrons produisant des kilonovae. Des collisions comme celle que l'on a observée pour la première fois en août 2017, et qui s'est accompagnée de l'émission d'ondes gravitationnelles.

Nous disposons aujourd'hui de modèles nourris par les observations qui permettent de décrire l'évolution cosmochimique des éléments dans la Voie lactée, de sorte que nous pouvons rendre compte des abondances des éléments trouvés dans les météorites, sur Terre, dans l'atmosphère solaire et les relier à des évènements astrophysiques passés.

Il existe d'ailleurs un précédent célèbre, celui de l'étude des inclusions réfractaires dans la chondrite Allende qui portaient des traces de radioactivités éteintes, c'est-à-dire les produits de la désintégration d'éléments radioactifs à courte demi-vie impliquant une synthèse et une injection rapide de ces éléments dans la nébuleuse protosolaire, juste avant son effondrement, donnant notre Système solaire. En clair, il avait dû se produire une supernova et l'onde de choc de l'explosion était probablement à l'origine de l'effondrement gravitationnel de cette nébuleuse.

Ces images simulées montrent l'aspect dans le visible aujourd'hui d'une kilonova provenant d'une fusion d'étoiles à neutrons située à 1.000 années-lumière de la Terre, un jour (à gauche) et une semaine (à droite) après la fusion. © Gupte & Bartos 2019, Lynn Palmer

Une kilonova à 1.000 années-lumière du proto-Soleil ?

Aujourd'hui, les astrophysiciens Imre Bartos, de l'université de Floride, et Szabolcs Marka de l'université Columbia, viennent de publier dans Nature un article qui aboutit à une conclusion étonnante en ce qui concerne l'origine de l'or et du platine de la Terre, et plus précisément de ses actinides.

Rappelons que, dans le tableau de Mendeleïev, les actinides forment une famille comprenant les 15 éléments chimiques allant de l'actinium (no 89) au lawrencium (no 103). Il s'agit de métaux lourds qui sont tous radioactifs dont les plus célèbres sont sans doute l'uranium, le thorium et le plutonium. Ce qui n'est pas complètement un hasard puisque ce sont simplement les plus abondants actinides sur Terre.

Bartos et Marka ont modélisé sur ordinateur la production des actinides et leurs répartitions moyennes dans la Voie lactée. Ils ont alors découvert que pour rendre compte de la meilleure façon des abondances des actinides dans les météorites du Système solaire, qui sont la mémoire de sa formation, il fallait postuler qu'une kilonova s'était produite à environ 1.000 années-lumière du nuage protosolaire, et seulement 80 millions d'années avant le début de la formation du Système solaire. Leurs calculs suggèrent que cet évènement a synthétisé 70 % de curium 247 et 40 % de plutonium 244 que nous observons.

La prudence s'impose tout de même car il y a des incertitudes dans les calculs effectués et dans la modélisation du milieu interstellaire où le mélange et le transport des éléments s'effectuent.


L'or proviendrait essentiellement des collisions d'étoiles à neutrons

Article de Laurent Sacco publié le 13/09/2011

Des simulations numériques accréditent ce que l'on soupçonnait depuis un certain temps : les noyaux d'or se formeraient essentiellement à l'occasion de collisions entre étoiles à neutrons.

De récentes recherches ont confirmé que l'or présent sur Terre est bien d'origine extraterrestre. Au sens strict du terme, l'expression peut sembler une tautologie puisque tous les éléments formés dans l'espace puis incorporés à notre planète lors de sa formation par accrétion, sont extraterrestres. Mais, dans le cas présent, cela signifie juste que l'or des banques et des monuments est arrivé sur Terre des centaines de millions d'années après la formation de notre planète.

L'origine de l'or est probablement encore plus extraordinaire si l'on en croit quelques spéculations anciennes de certains astrophysiciens nucléaires. Depuis les travaux de chercheurs comme Geoffrey Burbidge, on sait que les noyaux plus lourds que le lithium se sont formés dans les étoiles par des réactions de nucléosynthèse thermonucléaires. En fait, pas tous les noyaux lourds. Ceux qui le sont plus que le fer doivent avoir une origine différente. Ils proviennent de noyaux fortement enrichis en neutrons qui se sont désintègrés ensuite par radioactivité bêta.

Quels processus peuvent produire un intense flux de neutrons, capables de s'additionner par exemple à des noyaux de fer ou de nickel

On a longtemps pensé qu'il s'agissait de l'explosion de supernovae donnant des étoiles à neutrons (r-process). C'est peut-être toujours la bonne explication mais pour les abondances mesurées de noyaux d'or, les choses sont ensuite devenues plus problématiques...

Selon des simulations faites par Stephane Goriely, Andreas Bauswein et Hans-Thomas Janka c'est plutôt vers une autre hypothèse, proposée il y a un certain temps déjà, qu'il faut s'orienter : les collisions de deux étoiles à neutrons d'un système binaire.


Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur « cc » pour que s'affichent d'abord des sous-titres en anglais si ceux-ci n'apparaissent pas déjà. En passant simplement la souris sur « cc », apparaîtra « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français » puis « ok ». © Nasa/Goddard Space Flight Center/YouTube

On sait que les étoiles sont le plus souvent en couple et lorsqu'elles finissent chacune leur vie sous forme d'une supernova de type SN II ou SN Ib, il peut se former deux étoiles à neutrons (les SN Ia sont des supernovae où l'explosion détruit complètement une naine blanche) en orbite l'une autour de l'autre. Chacune de ces étoiles présente une masse de l'ordre de celle du Soleil rassemblée dans un volume dont le diamètre n'est que de quelques dizaines de kilomètres.

Des fragments d'étoiles à neutrons

Cela ne peut pas durer éternellement. Les deux astres perdent de l'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles et leur distance orbitale se réduit au cours des millions d'années. Ils finiront par entrer en collision et c'est ainsi que l'on explique un sursaut gamma court, bien que la question ne soit pas encore tranchée.

Lors de la collision, de la matière riche en neutrons et en noyaux lourds est éjectée. Selon les calculs des trois astrophysiciens, c'est ainsi l'équivalent de plusieurs masses de Jupiter à des températures de plus de 10 milliards de kelvins qui s'éloignent de la zone de collision pour rejoindre l'espace interstellaire. Lorsque cette matière se refroidit, il se produit une cascade de réactions nucléaires avec des désintégrations bêta, faisant intervenir environ 5.000 isotopes. Des noyaux d'or apparaissent parmi eux.

Dans une galaxie comme la Voie lactée, il se produit en moyenne une telle collision entre étoiles à neutrons tous les 100.000 ans. Selon les chercheurs, l'ensemble des calculs qu'ils ont menés permettent de retrouver remarquablement bien les abondances de noyaux lourds, en particulier celle de l'or.

Si cette hypothèse est exacte, lorsque nous passons un anneau d'or au doigt d'un(e) autre dans la salle des mariages, nous offrons, d'une certaine façon, un morceau d'étoile à neutrons....

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