D'où vient l'or, le métal précieux convoité par les mortels à travers les âges, viens de? Comment, où et quand a-t-il été produit ? Août dernier, une seule observation astrophysique nous a finalement donné la clé pour répondre à ces questions. Les résultats de cette recherche ont été publiés le 16 octobre 2017.

L'or préexiste à la formation de la Terre :c'est ce qui le différencie de, par exemple, diamant. Aussi précieux qu'il puisse être, cette pierre précieuse est née du simple charbon, dont la structure atomique est modifiée par une énorme pression de la croûte terrestre. L'or est totalement différent – ​​les forces les plus puissantes du manteau terrestre sont incapables de modifier la composition de son noyau atomique. Tant pis pour les alchimistes qui rêvaient de transformer le plomb en or.

Pourtant il y a de l'or sur Terre, à la fois dans son noyau profond, où il a migré avec des éléments lourds comme le plomb ou l'argent, et dans la croûte de la planète, c'est là que nous extrayons ce métal précieux. Alors que l'or dans le noyau était déjà là lors de la formation de notre planète, celui dans la croûte est principalement extraterrestre et est arrivé après la formation de la Terre. Il a été apporté par une gigantesque pluie de météores qui a bombardé la Terre (et la Lune) il y a environ 3,8 milliards d'années.

Formation d'éléments lourds

Comment l'or est-il produit dans l'univers ? Les éléments plus lourds que le fer, y compris l'or, sont en partie produits par le s processus au cours des phases ultimes d'évolution des étoiles. C'est un processus lent ( s signifie lente) qui opère au cœur de ce que l'on appelle les étoiles AGB - celles de masse faible et intermédiaire (moins de 10 masses solaires) qui peuvent produire des éléments chimiques jusqu'au polonium. L'autre moitié des éléments lourds est produite par le r traiter ( r signifie rapide). Mais le site où se déroule ce processus de nucléosynthèse est longtemps resté un mystère.

Pour comprendre la découverte permise par le 17 août, 2017, observation, nous devons comprendre la science Status Quo qui existait avant. Depuis environ 50 ans, l'hypothèse dominante au sein de la communauté scientifique était que la r processus a eu lieu lors de l'explosion finale des étoiles massives (les spécialistes parlent d'une supernova à effondrement du cœur). En effet, la formation d'éléments légers (ceux jusqu'au fer) implique des réactions nucléaires qui assurent la stabilité des étoiles en s'opposant à la contraction induite par la gravité. Pour les éléments plus lourds - ceux du fer et au-delà - il faut rajouter de l'énergie ou emprunter des chemins bien précis, comme le s et r processus. Les chercheurs croyaient que le r processus pourrait se produire dans la matière éjectée de l'explosion d'étoiles massives, captant une partie de l'énergie libérée et participant à la diffusion de matière dans le milieu interstellaire.

Malgré la simplicité de cette explication, la modélisation numérique des supernovae s'est avérée extrêmement compliquée. Après 50 ans d'efforts, les chercheurs commencent tout juste à comprendre son mécanisme. La plupart de ces simulations ne fournissent malheureusement pas les conditions physiques pour le r traiter.

Ces conditions sont pourtant assez simples :il faut beaucoup de neutrons et un environnement vraiment chaud.

Fusion d'étoiles à neutrons

Au cours de la dernière décennie environ, certains chercheurs ont commencé à étudier sérieusement un scénario alternatif du site de production d'éléments lourds. Ils ont concentré leur attention sur les étoiles à neutrons. Comme il sied à leur nom, ils constituent un gigantesque réservoir de neutrons, qui sont publiés occasionnellement. Le plus fort de ces rejets se produit lors de leur fusion, dans un système binaire, aussi appelé kilonova. Il existe plusieurs signatures de ce phénomène qui ont heureusement été observées le 17 août :une émission d'ondes gravitationnelles culminant une fraction de seconde avant la fusion finale des étoiles et un sursaut de lumière hautement énergétique (appelé sursaut gamma) émis par un jet de matière approchant la vitesse de la lumière. Bien que ces sursauts soient régulièrement observés depuis plusieurs décennies, ce n'est que depuis 2015 que les ondes gravitationnelles sont détectables sur Terre grâce aux interféromètres Virgo et LIGO.

Le 17 août restera une date majeure pour la communauté scientifique. En effet, il marque la première détection simultanée de l'arrivée d'ondes gravitationnelles - dont l'origine dans le ciel était assez bien identifiée - et d'un sursaut gamma, dont l'origine était aussi assez bien localisée et coïncidait avec la première. Les émissions de sursauts gamma sont focalisées dans un cône étroit, et le coup de chance des astronomes fut que celui-ci fut émis en direction de la Terre.

Dans les jours suivants, des télescopes ont analysé en continu la lumière de cette kilonova et ont trouvé la confirmation de la production d'éléments plus lourds que le fer. Ils ont également pu estimer la fréquence du phénomène et la quantité de matière éjectée. Ces estimations sont cohérentes avec l'abondance moyenne des éléments observés dans notre galaxie.

En un seul constat, l'hypothèse qui prévalait jusqu'à présent - d'une r processus se produisant exclusivement au cours des supernovae - est maintenant sérieusement remis en question et il est maintenant certain que le r processus a également lieu dans kilonovae. La contribution respective des supernovae et des kilonovae à la nucléosynthèse des éléments lourds reste à déterminer, et cela se fera avec l'accumulation des données liées aux prochaines observations. L'observation du 17 août à elle seule a déjà permis une grande avancée scientifique pour la compréhension globale de l'origine des éléments lourds, y compris l'or.

Une nouvelle fenêtre sur l'univers

Une nouvelle fenêtre sur l'univers vient de s'ouvrir, comme le jour où Galilée a braqué le premier télescope sur le ciel. Les interféromètres Virgo et LIGO permettent désormais "d'entendre" les phénomènes les plus violents de l'univers, et d'immenses perspectives se sont ouvertes aux astronomes, astrophysiciens, physiciens des particules et physiciens nucléaires. Cette réalisation scientifique n'a été possible que grâce à la collaboration fructueuse entre des nations très solidaires, notamment les États-Unis, Allemagne, France et Italie. Par exemple, il n'y a qu'un seul laboratoire au monde capable d'atteindre la précision requise pour les miroirs réfléchissant les lasers, LMA à Lyon, La France. De nouveaux interféromètres sont en cours de développement au Japon et en Inde, et cette liste s'allongera sûrement bientôt étant donné les énormes découvertes attendues pour l'avenir.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.