Des astronomes découvrent une étoile contenant 65 éléments différents

Avez-vous déjà tenu un morceau d’or dans votre main? Pas un petit bijou, mais une once ou plus ? Si c’est le cas, vous pouvez presque immédiatement comprendre ce qui pousse les humains à vouloir le posséder et savoir d’où il vient.

Nous savons que l’or vient des étoiles. Toutes les étoiles sont composées principalement d’hydrogène et d’hélium. Mais ils contiennent d’autres éléments, que les astrophysiciens appellent la métallicité d’une étoile. Notre Soleil a une métallicité élevée et contient 67 éléments différents, dont environ 2,5 billions de tonnes d’or.

Maintenant, les astronomes ont trouvé une étoile lointaine qui contient 65 éléments, le plus jamais détecté dans une autre étoile. L’or en fait partie.

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Il y a une étoile assez brillante dans notre voisinage de la Voie lactée nommée HD 222925. Elle est proche de la constellation Tucana (Toucan) du ciel austral. Les astronomes l’appellent l’étoile “étalon-or” parce que c’est leur meilleure opportunité d’étudier comment les étoiles créent certains des éléments lourds de l’Univers. Ce processus est appelé processus r, ou processus de capture rapide de neutrons.

Un nouvel article présente un inventaire chimique pour HD 222925 de tous les éléments produits par le r-process. L’article est “The R-Process Alliance: A Nearly Complete R-Process Abundance Template Derived from Ultraviolet Spectroscopy of the R-Process-Enhanced Metal-Poor Star HD 222925.” Il est disponible en ligne sur le site de prépresse arxiv.org et sera publié dans la série Astrophysical Journal Supplement. L’auteur principal est Ian Roederer, astronome à l’Université du Michigan.

HD 222295 est une étoile améliorée par le processus r mais pauvre en métal. Il a une métallicité élevée, ce qui signifie qu’il contient de nombreux éléments autres que l’hydrogène et l’hélium, mais pas beaucoup de ces éléments en masse. Ce n’est pas le premier découvert. Cette distinction appartient à CS 22892–052, également connue sous le nom d’étoile de Sneden, du nom du scientifique qui y a identifié pour la première fois 53 éléments chimiques. Mais HD 222295 est beaucoup plus brillante dans les UV que l’étoile de Sneden, ce qui la rend beaucoup plus facile à observer par spectroscopie. C’est ainsi que les chercheurs ont pu identifier 65 éléments différents.

« Au meilleur de ma connaissance, c’est un record pour n’importe quel objet au-delà de notre système solaire. Et ce qui rend cette étoile si unique, c’est qu’elle possède une proportion relative très élevée d’éléments répertoriés dans les deux tiers inférieurs du tableau périodique. Nous avons même détecté de l’or », a déclaré Roederer dans un communiqué de presse. « Ces éléments ont été fabriqués par le procédé de capture rapide de neutrons. C’est vraiment la chose que nous essayons d’étudier : la physique pour comprendre comment, où et quand ces éléments ont été fabriqués. »

L'étoile HD 222925 est une étoile de neuvième magnitude située vers la constellation sud de Tucana.  Les astronomes ont détecté 65 éléments chimiques différents dans l'étoile, ce qui est le plus détecté dans une étoile autre que le Soleil, qui contient 67 éléments différents.  Crédit d'image : Enquête sur le ciel numérisé STScI
L’étoile HD 222925 est une étoile de neuvième magnitude située vers la constellation sud de Tucana. Les astronomes ont détecté 65 éléments chimiques différents dans l’étoile, le plus détecté dans une étoile autre que le Soleil, contenant 67 éléments différents. Crédit d’image : Enquête sur le ciel numérisé STScI

Il existe deux types de capture de neutrons : le processus de capture de neutrons lent, ou processus s, et le processus r. Le processus s est raisonnablement bien compris, mais les scientifiques ont encore des questions importantes sur le processus r. Les astrophysiciens ont une bonne compréhension théorique du processus r, mais il n’a été observé directement qu’en 2019, lorsque les observateurs ont vu du strontium dans l’épave d’une explosion de kilonova.

La capture rapide de neutrons permet à un noyau atomique de capturer des neutrons plus rapidement que les neutrons ne peuvent se désintégrer, créant des éléments lourds. Le processus r commence avec des éléments plus légers que le fer. Dans un environnement avec beaucoup de neutrons et beaucoup d’énergie, ces éléments plus légers peuvent capturer des neutrons puisqu’ils sont neutres et sans charge. Lorsqu’un atome capture un neutron, il émet un électron, convertissant le neutron en un autre proton. Cela augmente le numéro atomique et l’élément le plus léger devient un élément plus lourd.

Ces éléments plus lourds – y compris l’or précieux – sont rarement détectés dans les étoiles car les sites astrophysiques qui favorisent le processus r sont rares. “Vous avez besoin de beaucoup de neutrons libres et d’un ensemble de conditions à très haute énergie pour les libérer et les ajouter aux noyaux des atomes”, a déclaré Roederer. “Il n’y a pas beaucoup d’environnements dans lesquels cela peut se produire – deux, peut-être.”

Cette rareté rend le processus r difficile à étudier, et aussi ce qui rend les éléments plus lourds, comme l’or, rares. C’est ce qui fait du HD 222295 l’étalon-or.

Ce tableau périodique de l'étude montre les éléments examinés dans HD 222925. Les éléments sans isotopes à longue durée de vie sont indiqués à l'aide d'une police gris clair.  L'hélium était auparavant détecté dans le spectre proche infrarouge.  Crédit d'image : Roederer et al.  2022
Ce tableau périodique de l’étude montre les éléments examinés dans HD 222925. Les éléments sans isotopes à longue durée de vie sont indiqués à l’aide d’une police gris clair. L’hélium était auparavant détecté dans le spectre proche infrarouge. Crédit d’image : Roederer et al. 2022

Les fusions d’étoiles à neutrons et les explosions de kilonova qui en résultent sont l’un des environnements qui favorisent le processus r. Les explosions de supernovae d’étoiles massives en sont l’autre. Il est essentiel de déterminer les environnements astrophysiques qui permettent le processus r pour comprendre le processus r. Maintenant, les astrophysiciens veulent étudier le processus plus en détail.

« C’est un pas en avant important : reconnaître où le processus r peut se produire. Mais c’est un pas beaucoup plus important de dire : ” Qu’est-ce que cet événement a réellement fait ? Qu’est-ce qui a été produit là-bas?”, A déclaré Roederer. “C’est là que notre étude entre en jeu.”

HD 222295 n’a pas produit les éléments lourds qu’il contient. Ils ont été produits plus tôt dans l’Univers, puis se sont propagés dans l’espace par des supernovae ou des kilonovae. Ensuite, ils ont été repris dans une autre génération de formation d’étoiles, en l’occurrence par HD 222295.

“Nous connaissons maintenant la sortie détaillée élément par élément d’un événement de processus r qui s’est produit au début de l’univers”, a déclaré la co-auteur de l’étude, Anna Frebel. Frebel est professeur de physique au MIT. “Tout modèle qui essaie de comprendre ce qui se passe avec le processus r doit être capable de reproduire cela”, a-t-elle déclaré.

Les scientifiques savent que le processus r est l’une des principales façons dont les étoiles et leurs restes produisent des éléments plus lourds avec des numéros atomiques supérieurs à 30. Des observations récentes ont confirmé que le processus r se produit dans les fusions d’étoiles à neutrons et les explosions de kilonova qui en résultent. Mais il y a encore des questions ouvertes qui persistent depuis longtemps, comme quels éléments produit-il et en quelles abondances ?

En 2019, une équipe de chercheurs européens a trouvé des signatures de strontium formées lors d'une fusion d'étoiles à neutrons.  L'impression de cet artiste montre deux étoiles à neutrons minuscules mais très denses au point où elles fusionnent et explosent en kilonova.  Au premier plan, on voit une représentation de strontium fraîchement créé.  Crédit image : ESO/L.  Calçada / M.  Couteau à maïs
En 2019, des chercheurs européens ont découvert des signatures de strontium formées lors d’une fusion d’étoiles à neutrons. L’impression de cet artiste montre deux étoiles à neutrons minuscules mais denses lorsqu’elles fusionnent et explosent en kilonova. Au premier plan, on voit une représentation de strontium fraîchement créé. Crédit image : ESO/L. Calçada / M. Couteau à maïs

Ces questions ont conduit à la création de la R-Process Alliance, un groupe de scientifiques essayant de trouver des réponses. Certains des auteurs de cette nouvelle étude sont membres de l’Alliance. Il s’agit du deuxième article publié par les membres de l’Alliance qui se concentre sur HD 222295. Les chercheurs pensent que HD 222295 fait partie d’un groupe d’étoiles qui se sont formées dans un environnement enrichi par le processus r. La métallicité de l’étoile est supérieure à la plupart des étoiles connues enrichies par le processus r. Cela suggère que plusieurs supernovae l’ont enrichi. HD 222295 ne s’est probablement pas formé dans le cadre de la Voie lactée, mais a été capturé par notre galaxie à un moment donné dans le passé.

“HD 222925 ne présente aucune caractéristique remarquable dans son schéma d’abondance chimique, autre que l’amélioration globale des éléments du processus r”, écrivent les auteurs. “Ainsi, il peut être considéré comme reflétant les rendements de la ou des sources dominantes de processus r dans l’univers primitif.”

Maintenant que les astrophysiciens ont identifié une étoile brillante contenant des éléments du processus r, elle peut servir de proxy pour ce que produisent les supernovae et les kilonovae. Comme les chercheurs créent des modèles du processus r à l’intérieur de ces événements qui créent les éléments lourds, ces modèles doivent avoir la même signature que HD 222295. C’est donc l’étalon-or.

L’or a toujours eu une certaine mystique pour l’humanité. Il est unique parmi les éléments et fait des apparitions régulières dans les mythes du monde. Dans la Grèce antique, les dieux vêtus d’or et de pommes d’or conféraient la mortalité à ceux qui les mangeaient s’ils pouvaient passer le dragon qui les gardait. Dans la mythologie hindoue, l’or est la source du pouvoir et peut transmettre la conscience divine. C’est aussi l’âme du monde lui-même.

Les anciens chérissaient l'or, mais ils n'auraient pas pu deviner ses origines.  Le masque de King Tut (l) et son cercueil intérieur.  Le cercueil intérieur est en or massif et pèse près de 243 livres.  Crédits image : Masque : Par Roland Unger - Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48168958.  Cercueil intérieur : Musée égyptien, Le Caire.
Les anciens chérissaient l’or, mais ils n’auraient pas pu deviner ses origines. Ce sont des images du masque du roi Tut (l) et de son cercueil intérieur (r). Le cercueil intérieur est en or massif et pèse près de 243 livres. Crédits image : Masque : Par Roland Unger – Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=48168958. Cercueil intérieur : Musée égyptien, Le Caire.

Ces croyances sont maintenant effacées, perdues avec le temps. Mais la science qui les remplace est encore plus fascinante. Les anciens n’auraient jamais pu imaginer que leurs mythes seraient remplacés par la science et que les étoiles pourraient exploser et créer de l’or et d’autres éléments. Ils n’auraient jamais pu imaginer de gigantesques télescopes au sommet d’une montagne qui scrutent de vastes distances dans l’espace. Ils n’auraient jamais pu imaginer que nous pourrions couper la lumière d’une étoile et déterminer que l’étoile contient de l’or.

Et ils n’auraient jamais pu deviner que notre propre Soleil contient 2,5 billions de tonnes d’or.

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