Peut-on encore trouver dans la Nature des métaux inconnus qui pourraient avoir des propriétés physiques et chimiques magiques que l'on ne rencontre pour le moment que dans la fiction ? On peut se poser la question en raison de la densité qui semble exotique pour l'astéroïde (33) Polymnie. Pour savoir ce qu'il faut penser de ce petit corps céleste et de quelques autres, Futura a interrogé le planétologue français Benoit Carry.
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C'est un des thèmes récurrents de la science-fiction, celui de la découverte ou tout simplement de l'existence de métauxmétaux extraordinaires n'existant pas naturellement sur Terre. On peut penser au vibranium du Wakanda dans l'Univers Marvel, arrivé sur Terre sous forme de météorites géantes, ou encore l'unobtainium d'Avatar, un minéralminéral supraconducteur à température ambiante que l'on ne trouve que sur Pandora.
On comprend donc aisément la fascination causée par la publication dans la revue The European Physical Journal Plus d'un article ayant passé un premier filtre destiné à accréditer le sérieux de son contenu, faisant état de la possibilité que l'astéroïde 33 Polyhymnia soit composé d'éléments chimiques très lourds encore jamais vus sur notre Planète bleue.
(33) Polymnie, sa désignation internationale étant « (33) Polyhymnia) », n'est pas un nouveau corps céleste récemment découvert dans le Système solaireSystème solaire puisqu'il a été observé pour la première fois dans la ceinture principale d'astéroïdes entre Mars et JupiterJupiter par l'astronomeastronome français Jean Chacornac le 28 octobre 1854. Il est nommé d'après Polymnie, muse de la rhétorique.
Son spectrespectre a été étudié depuis un certain temps déjà et nous savons sans l'ombre d'un doute que c'est celui d'un astéroïde de type S donc avec une surface composée de silicatessilicates de ferfer et de magnésiummagnésium. Environ 17 % des astéroïdes sont de ce type et ils sont dominants dans la partie interne de la ceinture d'astéroïdesceinture d'astéroïdes.
Le film d'animation La vallée de stabilité est né de la volonté des chercheurs de rendre compréhensible au plus grand nombre la physique nucléaire, c'est-à-dire la science qui s'intéresse aux noyaux des atomes. Plusieurs physiciens nucléaires de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) et du Ganil (Grand accélérateur national d'ions lourds) se sont réunis autour d'un réalisateur de films d'animation pour produire ce court métrage étonnant et didactique. Cette séquence nous présente le noyau de l'atome et ses constituants, les nucléons (protons et neutrons). On y apprend que l'on peut classer les noyaux sous la forme d'une carte qui décrit une vallée de stabilité dont le fond est peuplé par les noyaux stables. L'évolution des noyaux instables, des hauteurs de la vallée vers le fond, illustre les différents types de radioactivité. © CEA - Animea 2011
Un modèle de Thomas-Fermi relativiste pour des transuraniens
Dans l'article publié par Evan LaForge, Will Price, Johann Rafelski, et dont on peut trouver une version sur arXiv, l'essentiel des travaux effectués ne porteporte pas directement sur (33) Polymnie. Il y est question de savants calculs basés sur la relativité et des notions de physique quantiquephysique quantique de l'atomeatome et de physique nucléaire que l'on peut déjà trouver dans les cours d’Enrico Fermi du début des années 1950 (voir aussi les explications concernant le modèle de Thomas-Fermi dans le mythique cours de mécanique quantique de Lev Landau).
La question abordée est celle, bien débattue, de l'existence de groupements de noyaux transuraniens encore jamais synthétisés sur Terre, existant dans la fameuse île de stabilité théorisée depuis des décennies. Rappelons que les transuraniens connus sont les éléments chimiques dont le numéro atomiquenuméro atomique est supérieur à celui de l'uraniumuranium, c'est-à-dire supérieur à 92. Ce sont tous des radioéléments n'ayant aucun isotopeisotope stable et que l'on peut produire artificiellement au sein de réacteurs nucléaires pour les plus légers, dans des collisions avec des accélérateurs de particules pour les plus lourds.
Ce sont des métaux très instables qui se désintègrent par radioactivitéradioactivité, tel l’élément 112. Mais, selon certaines théories de physique nucléaire, au-delà d'un certain numéro atomique, on obtiendrait à nouveau des noyaux stables.
LaForge, Price et Rafelski ne font ensuite que remarquer que leur théorie conduit à admettre l'existence de transuraniens suffisamment stables pour former l'astéroïde (33) Polymnie, et de quelques autres, dont les densités sont anormalement élevées et ne peuvent donc être constitués des éléments connus de la noosphère.
Cette séquence nous montre comment la physique nucléaire est à l'œuvre dans les étoiles et fabrique la matière dont nous sommes faits. Nous découvrons que les étoiles vivent en fusionnant des noyaux en leur cœur, et comment la fin catastrophique de certaines d'entre elles crée les noyaux les plus lourds. © CEA - Animea 2011
Des noyaux lourds exotiques produits dans les étoiles ?
Après une première phase d'enthousiasme, on peut toutefois rapidement arriver à la conclusion que c'est très douteux. Nous ne connaissons pas de processus d'astrophysiqueastrophysique nucléaire stellaire capable de produire ce genre d'éléments très lourds.
Bien sûr, on sait que l'or, le platineplatine et d'autres éléments plus lourds que le fer ne sont pas synthétisés significativement, voire pas du tout, dans des étoilesétoiles ordinaires ni dans les explosions d'étoiles ordinaires que sont les supernovæ. La découverte des kilonovæ a accrédité que ces éléments se forment principalement lors de collisions d’étoiles à neutrons.
Or on ne comprend pas encore très bien dans quel état se trouve la matière au cœur de ces étoiles et on pourrait donc penser qu'il s'y produit justement des éléments transuraniens exotiquesexotiques comme ceux étudiés théoriquement par LaForge, Price et Rafelski.
Toutefois, on trouve des traces de platine et d'or dans certaines météorites mais aucun des transuraniens stables théoriques. On ne voit pas en fait comment des processus de concentration de ces éléments lourds pourraient produire des astéroïdes comme le serait (33) Polymnie.
Pour essayer d'y voir plus clair, Futura s'est tourné vers le planétologue français Benoit Carry, travaillant au laboratoire Lagrange de l'Observatoire de la Côte d'Azur (OCA) et à l'Institut de Mécanique céleste et de calcul des éphémérides (IMCCE), Observatoire de Paris. Il étudie les petits corps vestiges des premiers stades de la formation planétaire du Système solaire. C'est l'un des professeurs du DUAO de l’OCA.
Le moins que l'on puisse dire, c'est que ça a été la douche froide !
Astronome adjoint au Laboratoire Lagrange de l'Observatoire de la Côte d'Azur, Benoit Carry travaille sur les astéroïdes dans un des 13 bâtiments du site du Mont-Gros qui porte la signature de Charles Garnier. Le Pavillon Henri Chrétien abrite une bibliothèque scientifique unique et des bureaux de chercheurs, il nécessite une restauration indispensable et urgente. Classé Monument Historique, vous pouvez aider à sa rénovation en faisant un don à la Fondation du patrimoine Provence-Alpes-Côte d'Azur. © Université Côte Azur / OCA
Le chercheur ne nous a pas caché son énervement et son agacement, non pas en ce qui concerne les calculs qui conduisent à prédire que des éléments ayant environ 164 protonsprotons dans leur noyau seraient probablement stables et auraient une densité comprise entre 36,0 et 68,4 g/cm3 -- une plage qui se rapproche de la valeur prétendument évaluée pour l'astéroïde (33) Polymnie, à savoir 75.3 g/cm3 -- mais bien pour le communiqué de presse et l'article publié qui met en avant l'existence d'astéroïdes avec des densités élevées et nécessairement exotiques.
En effet, dans l’article exposant ses travaux sur la densité de certains astéroïdes -- et qui est cité dans celui de LaForge, Price et Rafelski --, Benoit Carry avait explicitement dit que ces densités atypiques ne devaient absolument pas être prises au sérieux et étaient nécessairement le fruit d'erreurs de mesure absolument pas étonnantes.
« La densité de 75 est complètement irréaliste, car c'est principalement le fait de la limitation de la méthode de détermination de la massemasse par constructionconstruction d'éphémérides planétaires.
J'avais eu une longue discussion avec J. Rafelski à ce sujet, il pense que l'erreur sur la détermination de (33) Polymnie est petite donc que l'évaluation d'une densité de l'ordre de ρ = 75.3 ± 9.6 g/cm3 est solidesolide.
Mais il se trompe !
Il n'est question que des incertitudes internes au calcul (venant des incertitudes de mesure) et elles négligent complètement les biais inhérents aux méthodes utilisées.
Pour faire court : les astronomes essayant de déterminer la masse des astéroïdes utilisent la déflection d'autres astéroïdes ou de sondes planétaires dans leur voisinage. Or, par construction, les modèles derrière cette méthode ont des limites car quelques centaines d'astéroïdes massifs perturbent ces mouvementsmouvements. Donc, en tentant de déterminer la masse d'un objet, on peut artificiellement la surestimer TRÈS fortement si on néglige un passage proche d'un autre objet perturbateur, par exemple : les masses des deux objets combinées se retrouvent assignées à un seul...
Dans l'article de 2011 d'où vient la masse de (33) Polymnie, plusieurs autres astéroïdes avaient des masses fortement surestimées. On connait mieux leurs masses actuelles via des survolssurvols de sonde ou parce qu'on a découvert des satellites naturels en orbiteorbite, par exemple dans les cas de (21) Lutetia, (41) Daphne, (107) Camilla, (216) Kleopatra, etc.
Avec la méthode des éphémérides, il faut vraiment croiser plusieurs études pour être sûr. Or, la masse de (33) Polymnie n'a été rapportée qu'une seule fois dans ce type de recherche, malgré le fait que le même groupe travaille sur le sujet depuis plus d'une décennie, et a déterminé la masse de dizaines d'astéroïdes. Celle de (33) Polymnie est donc hautement suspicieuse !
Et ensuite, comment expliquer que "un" astéroïde contienne tous ces fameux atomes super massifs ? Alors qu'on n'en trouve la trace nulle part ailleurs... ? »
Cet astéroïde est composé d’éléments chimiques inconnus des humains !
Article de Morgane GillardMorgane Gillard publié le 25 octobre 2023
L'astéroïde 33 Polyhymnia pose un problème... de masse. Sa densité calculée ne peut être expliquée par aucun des éléments naturels connus à ce jour et référencés dans le célèbre tableau périodiquetableau périodique. Pour les scientifiques, pas de doute : il existe dans notre Système solaire des éléments possédant une densité extrême que nous n'avons encore jamais observée ni réussie à synthétiser.
Emblème des salles de cours, le tableau périodique présente l'ensemble des éléments chimiques connus. Si nombreux sont ceux que l’on retrouve dans la nature, d'autres ont été synthétisés par l'humain via des réactions nucléairesréactions nucléaires réalisées au cœur d'accélérateurs à particules. Parmi les éléments naturels, l'osmiumosmium est l'élément stable le plus dense connu à ce jour. Sur Terre en tout cas. Car il se pourrait bien qu’il existe dans l’Univers des éléments encore plus denses, inconnus au tableau périodique.
Un astéroïde trop lourd pour notre tableau périodique
Cette hypothèse est apparue suite à l'observation d'un astéroïde nommé 33 Polyhymnia, présent dans la Ceinture principale d’astéroïdes qui se situe entre Mars et Jupiter. C'est en calculant la densité massique de cet astéroïde que des chercheurs se sont rendu compte qu'il devait être composé d'éléments encore inconnus au bataillon. Impossible, en effet, de retrouver la densité de 33 Polyhymnia à partir des éléments naturels du tableau périodique, même les plus denses comme l'osmium, qui possède 76 protons.
Des métaux superlourds encore inconnus
Alors certes, il existe bien des éléments ayant un numéro atomique bien plus élevé. Mais ceux-là ne sont pas observés dans la nature. Produits de manière expérimentale, ces éléments qui possèdent plus de 94 protons sont bien plus lourds mais instables et radioactifs, avec souvent une duréedurée d'existence très courte. Impossible, donc, que ceux-ci entrent dans la composition d'un astéroïde. Des modèles suggèrent cependant qu'il pourrait exister un autre champ de stabilité nucléaire pour des éléments possédant environ 164 protons.
Ces éléments, qui ne sont pour l'instant que théoriques, posséderaient des densités entre 36 et 68,4 g/cm3. À titre de comparaison, l'osmium possède une densité de 22,6 g/cm3. La densité de 33 Polyhymnia pourrait donc être expliquée si l'astéroïde était composé en proportion significative de ces métaux superlourds aux propriétés certainement très exotiques. Ces résultats ont été publiés dans la revue The European Physical Journal Plus.
L'être humain, malgré sa capacité à défier la nature, serait donc encore loin d'avoir fait le tour de la formidable richesse que recèle notre Système solaire !
