Pour la première fois, un élément lourd fraîchement préparé, strontium, a été détecté dans l'espace, au lendemain de la fusion de deux étoiles à neutrons. Cette découverte a été observée par le spectrographe X-shooter de l'ESO sur le Very Large Telescope (VLT) et est publiée aujourd'hui dans Nature. La détection confirme que les éléments les plus lourds de l'Univers peuvent se former lors de fusions d'étoiles à neutrons, fournissant une pièce manquante du puzzle de la formation des éléments chimiques.

En 2017, suite à la détection d'ondes gravitationnelles passant par la Terre, L'ESO a pointé ses télescopes au Chili, y compris le VLT, à la source :une fusion d'étoiles à neutrons nommée GW170817. Les astronomes soupçonnaient que, si des éléments plus lourds se sont formés dans les collisions d'étoiles à neutrons, les signatures de ces éléments pourraient être détectées dans les kilonovae, les conséquences explosives de ces fusions. C'est ce qu'une équipe de chercheurs européens vient de faire, en utilisant les données de l'instrument X-shooter sur le VLT de l'ESO.

Suite à la fusion GW170817, La flotte de télescopes de l'ESO a commencé à surveiller l'explosion naissante de la kilonova sur une large gamme de longueurs d'onde. X-shooter en particulier a pris une série de spectres allant de l'ultraviolet au proche infrarouge. L'analyse initiale de ces spectres a suggéré la présence d'éléments lourds dans la kilonova, mais les astronomes ne pouvaient pas localiser les éléments individuels jusqu'à présent.

« En réanalysant les données 2017 de la fusion, nous avons maintenant identifié la signature d'un élément lourd dans cette boule de feu, strontium, prouver que la collision des étoiles à neutrons crée cet élément dans l'Univers, ", déclare l'auteur principal de l'étude, Darach Watson, de l'Université de Copenhague au Danemark. Sur Terre, le strontium se trouve naturellement dans le sol et se concentre dans certains minéraux. Ses sels sont utilisés pour donner aux feux d'artifice une couleur rouge brillante.

Les astronomes connaissent les processus physiques qui créent les éléments depuis les années 1950. Au cours des décennies suivantes, ils ont découvert les sites cosmiques de chacune de ces grandes forges nucléaires, sauf un. "C'est la dernière étape d'une course-poursuite de plusieurs décennies pour déterminer l'origine des éléments, " dit Watson. " Nous savons maintenant que les processus qui ont créé les éléments se sont produits principalement dans les étoiles ordinaires, dans les explosions de supernova, ou dans les couches externes des vieilles étoiles. Mais, jusqu'à maintenant, nous ne connaissions pas le lieu de la finale, processus inconnu, connue sous le nom de capture rapide de neutrons, qui a créé les éléments les plus lourds du tableau périodique."

La capture rapide de neutrons est un processus dans lequel un noyau atomique capture des neutrons assez rapidement pour permettre la création d'éléments très lourds. Bien que de nombreux éléments soient produits dans le noyau des étoiles, créer des éléments plus lourds que le fer, comme le strontium, nécessite des environnements encore plus chauds avec beaucoup de neutrons libres. La capture rapide des neutrons ne se produit naturellement que dans des environnements extrêmes où les atomes sont bombardés par un grand nombre de neutrons.

"C'est la première fois que nous pouvons associer directement un matériau nouvellement créé formé par capture de neutrons avec une fusion d'étoiles à neutrons, confirmant que les étoiles à neutrons sont constituées de neutrons et liant le processus de capture rapide des neutrons longtemps débattu à de telles fusions, " dit Camilla Juul Hansen du Max Planck Institute for Astronomy à Heidelberg, qui a joué un rôle majeur dans l'étude.

Les scientifiques commencent à peine à mieux comprendre les fusions d'étoiles à neutrons et les kilonovae. En raison de la compréhension limitée de ces nouveaux phénomènes et d'autres complexités dans les spectres que le X-shooter du VLT a pris de l'explosion, les astronomes n'avaient pas été en mesure d'identifier les éléments individuels jusqu'à présent.

"Nous avons en fait eu l'idée que nous pourrions voir du strontium assez rapidement après l'événement. Cependant, montrer que c'était manifestement le cas s'est avéré très difficile. Cette difficulté était due à notre connaissance très incomplète de l'apparence spectrale des éléments les plus lourds du tableau périodique, " déclare Jonatan Selsing, chercheur à l'Université de Copenhague, qui était un auteur clé sur le papier.

La fusion GW170817 était la cinquième détection d'ondes gravitationnelles, rendu possible grâce au Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) de la NSF aux États-Unis et à l'interféromètre Virgo en Italie. Situé dans la galaxie NGC 4993, la fusion était la première, et jusqu'à présent le seul, source d'ondes gravitationnelles pour que sa contrepartie visible soit détectée par des télescopes sur Terre.

Avec les efforts combinés de LIGO, Vierge et le VLT, nous avons la compréhension la plus claire à ce jour du fonctionnement interne des étoiles à neutrons et de leurs fusions explosives.

Cette recherche a été présentée dans un article à paraître dans La nature le 24 octobre 2019.