Du strontium, né de la collision entre deux étoiles à neutrons, détecté pour la première fois

En 2017, suite à la détection d'ondes gravitationnellesondes gravitationnelles traversant la Terre, l'ESO (European Southern ObservatoryEuropean Southern Observatory) a pointé ses télescopes chiliens en direction de l'événement source : une fusion d’étoiles à neutrons baptisée GW170817.

D'après les astronomesastronomes, si les collisions d’étoiles à neutrons s'accompagnaient de la formation d'éléments plus lourds, leurs signatures 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 acquises par l'instrument X-shooter installé sur le VLT (Very Large TelescopeVery Large Telescope).

La fin de la quête de l’origine des éléments chimiques

Suite à l'événement GW170817, la flotte de télescopes a effectué le suivi de l'explosion de la kilonova sur une gamme étendue de longueurs d'onde. L'instrument X-shooter a notamment acquis une série de spectres s'étalant de l'ultraviolet à l'infrarougeinfrarouge. Une première analyse suggéra la présence d'éléments lourds au sein de la kilonova. Toutefois, les chercheurs demeuraient incapables alors de les différencier les uns des autres.

« Une nouvelle analyse des données acquises en 2017 lors de la fusion a récemment permis d'identifier la signature de l'un des éléments lourds composant cette boule de feufeu, démontrant par là même que la collision des étoiles à neutronsétoiles à neutrons s'accompagne de la création de cet élément dans l'UniversUnivers » précise Darach Watson de l'université de Copenhague au Danemark, auteur principal de cette étude parue dans Nature. Sur Terre, le strontiumstrontium est naturellement présent dans le sol et se trouve concentré dans certains minérauxminéraux. Ses sels sont utilisés pour conférer aux feux d'artifice une couleurcouleur rouge vif.

Ce montage de spectres obtenus avec l’instrument X-shooter sur le VLT montre le comportement changeant de la kilonova dans la galaxie NGC 4993, sur une période de 12 jours après la détection de l’explosion le 17 août 2017. Chaque spectre couvre une gamme de longueurs d’onde allant du proche ultraviolet au proche infrarouge et révèle à quel point cet objet a rougi alors que sa luminosité diminuait. © ESO, E. Pian et al., S. Smartt & ePESSTO

Les astronomes connaissent, depuis les années 1950, les processus physiquesphysiques donnant lieu à la création des éléments chimiqueséléments 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 supernovaesupernovae, ou dans les enveloppes externes des vieilles étoiles. Jusqu'à présent toutefois, nous ignorions la localisation du processus ultime - la capture rapide de neutrons, responsable de la création des éléments les plus lourds du tableau périodiquetableau périodique ».

La création des éléments les plus lourds de l’univers

Lors du processus de capture rapide de neutrons, un noyau atomique piège des neutrons suffisamment rapidement pour permettre la création d'éléments très lourds. La plupart des éléments chimiques sont produits au cœur des étoiles. La formation d'éléments plus lourds que le ferfer, 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 atomesatomes sont bombardés par un nombre 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 Max Planck dédié à l’astronomie, Heidelberg, dont la contribution à cette étude s’avéra essentielle.

Cette animation est basée sur une série de spectres de la kilonova dans NGC 4993 observée par l’instrument X-shooter du VLT. Ils couvrent une période de 12 jours après l’explosion initiale le 17 aout 2017. La kilonova est initialement très bleue puis rougeoie et perd sa luminosité. © ESO, E. Pian et al., S. Smartt & ePESSTO, L. Calçada

Une meilleure compréhension de la fusion des étoiles à neutrons

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 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 (Laser Interferometer Gravitational-Wave ObservatoryLaser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) de la NSF aux États-Unis et de l'InterféromètreInterféromètre VirgoVirgo en Italie. Située dans la galaxiegalaxie NGCNGC 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 des étoiles à neutrons et leurs fusions explosives.