Durant les cinq dernières années, des centaines d'étoiles riches en or ont été détectées par des télescopes de pointe dans le monde entier. De nouvelles simulations de formation de galaxies, avec la plus haute résolution aussi bien en temps qu'en masse, montrent que ces étoiles se sont formées il y a plus de 10 milliards d'années dans de petites galaxies qui ont fusionné pour créer la Voie lactée.

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Les étoilesétoiles sont des forges thermonucléaires qui produisent la plupart des éléments constituant les planètes. La plupart des éléments plus lourds que le ferfer, dont les métauxmétaux précieux tels que l'or et le platineplatine, sont issus du processus de capture rapide de neutronsneutrons (processus r). Lorsqu'elles meurent, les étoiles libèrent dans l'espace interstellaire les éléments lourds qu'elles ont créés, lesquels peuvent alors être incorporés dans la génération d'objets suivante.

Comme les planètes, les nouvelles étoiles intègrent les éléments lourds libérés par les générations précédentes. En étudiant la composition chimique des étoiles, on devrait pouvoir en déduire le type d'environnement dans lequel les étoiles se sont formées. Le mystère était de savoir quand, où et comment ces étoiles se sont formées dans l'histoire de la Voie lactée. Jusqu'à présent, il manquait un cadre théorique pour expliquer la diversité chimique observée.

Reconstruire l'histoire de la Voie lactée à l'aide d'un supercalculateur

Une équipe de recherche internationale menée par Yutaka Hirai, de l'Université du Tōhoku (Japon) et de l'Université de Notre-Dame (Indiana, États-Unis), a suivi la formation d'une galaxie virtuelle semblable à la Voie lactéeVoie lactée depuis le Big BangBig Bang jusqu'à nos jours avec une simulation numériquesimulation numérique. Cette simulation a les résolutions de temps et de masse les plus élevées à ce jour, permettant à l'équipe d'étudier le cycle des nouveaux matériaux libérés par les anciennes étoiles et absorbés par les nouvelles. Ces résultats (en libre accès sur arXiv) ont été publiés ce 14 novembre dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Quantité de fer (0 équivaut à l'abondance solaire ; diviser par 10 pour chaque cran de -1) en fonction de l'époque de formation (en milliards d'années) des étoiles simulées. Les points rouges représentent les étoiles enrichies en or et autres éléments lourds, tandis que le dégradé de couleur verte montre toutes les étoiles. © Yutaka Hirai et <em>al.</em>
Quantité de fer (0 équivaut à l'abondance solaire ; diviser par 10 pour chaque cran de -1) en fonction de l'époque de formation (en milliards d'années) des étoiles simulées. Les points rouges représentent les étoiles enrichies en or et autres éléments lourds, tandis que le dégradé de couleur verte montre toutes les étoiles. © Yutaka Hirai et al.

À l'aide du supercalculateursupercalculateur Aterui II du Centre d'astrophysique computationnelle de l'Observatoire astronomique national du Japon, l'équipe a fait tourner avec succès la simulation pendant plusieurs mois, permettant pour la première fois d'analyser la formation d'étoiles riches en or dans le Voie lactée.

Des joyaux stellaires produits dans de très anciennes galaxies

La cosmologiecosmologie standard que les chercheurs ont utilisée prédit que la Voie lactée s'est développée par l'accrétion et la fusion de petites galaxies, appelées galaxiesgalaxies progénitrices. Les données de simulation ont révélé que certaines des galaxies progénitrices, mais pas toutes, contenaient de grandes quantités des éléments les plus lourds. Chaque événement de fusion d'étoiles à neutrons -- un site confirmé de nucléosynthèsenucléosynthèse d'éléments lourds -- a augmenté l'abondance des éléments les plus lourds dans ces petites galaxies. D'après la recherche, la plupart des étoiles riches en or se sont formées il y a plus de 10 milliards d'années dans ces galaxies progénitrices. L'abondance prédite d'étoiles enrichies en or dans la galaxie finale de la taille de la Voie lactée correspond à ce qui est effectivement observé aujourd'hui dans notre Galaxie.

Pour l'avenir, Hirai et son équipe prévoient de simuler la formation de la Voie lactée et de clarifier les origines des étoiles individuelles à l'aide du nouveau supercalculateur Fugaku.