Pour la première fois, les astronomes ont identifié un élément chimique fraîchement formé par la fusion de deux étoiles à neutrons. Le mécanisme sous-jacent, appelé processus r - également connu sous le nom de capture rapide de neutrons - est considéré comme à l'origine de grandes quantités d'éléments plus lourds que le fer.

Cette découverte jette un nouvel éclairage sur le mystère des environnements dans lesquels se déroule ce r-processus. L'équipe d'astronomes, comprenant également des scientifiques de FAIR et GSI, a maintenant démontré sans équivoque que la fusion de deux étoiles à neutrons crée les conditions de ce processus et agit comme un réacteur dans lequel de nouveaux éléments sont produits.

L'origine des éléments lourds comme l'or, le plomb et l'uranium n'ont pas encore été entièrement clarifiés. Les éléments les plus légers, l'hydrogène et l'hélium, se sont déjà formés en quantités importantes avec le Big Bang. La fusion nucléaire dans le cœur des étoiles est également une source bien établie d'atomes dans la gamme de masse allant de l'hélium au fer.

Pour la production d'atomes plus lourds, les scientifiques soupçonnent un processus qui attache des neutrons libres à des blocs de construction déjà existants. La variante rapide de ce mécanisme est ce qu'on appelle le processus r (r signifie rapide) ou capture de neutrons rapide. Maintenant, des recherches sont en cours pour déterminer quels objets pourraient être des sites où cette réaction a lieu. Les candidats possibles jusqu'à présent sont un type rare d'explosions de supernova et la fusion de restes stellaires denses comme des étoiles à neutrons binaires.

De grandes quantités de strontium se forment en moins d'une seconde

Un groupe international d'astronomes avec la participation substantielle de Camilla Juul Hansen du Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) à Heidelberg a maintenant découvert la signature de l'élément strontium, qui a été formé par le processus r lors d'une fusion explosive de deux étoiles à neutrons. Avec en moyenne 88 nucléons, dont 38 protons, il est plus lourd que le fer.

Le professeur Almudena Arcones et le privé Andreas Bauswein ont également participé à la publication dans la revue scientifique Nature. En plus de leurs activités au sein du département de recherche en physique théorique du FAIR et du GSI, ils sont également actifs à l'Université technique de Darmstadt et à l'Université de Heidelberg, les deux universités partenaires de FAIR et GSI. Ils ont fourni des estimations précieuses pour la publication. Le processus et les caractéristiques du processus r font partie des questions de recherche importantes à étudier dans le futur accélérateur FAIR actuellement en construction à Darmstadt.

La fusion explosive a produit une coquille d'expansion déchaînée se déplaçant avec 20% à 30% de la vitesse de la lumière. Il se compose de matière nouvellement formée, dont le strontium à lui seul représente environ cinq masses terrestres (1 masse terrestre =6·1024 kg). Ainsi, pour la première fois, les chercheurs fournissent des preuves claires qu'une telle collision fournit les conditions du processus r dans lequel les éléments lourds se forment. Outre, c'est la première confirmation empirique que les étoiles à neutrons sont constituées de neutrons.

Le processus r est vraiment rapide. Par seconde, plus de 10²² de neutrons traversent une surface d'un centimètre carré. La désintégration bêta transforme une partie des neutrons accumulés en protons, émettant chacun un électron et un antineutrino. L'aspect particulier de ce mécanisme est que les neutrons se combinent pour former de gros composés plus rapidement que les conglomérats nouvellement formés ne se décomposent à nouveau. De cette façon, même des éléments lourds peuvent se développer à partir de neutrons individuels en moins d'une seconde.

La fusion des étoiles à neutrons produit des ondes gravitationnelles

En utilisant le Very Large Telescope (VLT) de l'Observatoire Européen Austral (ESO), les scientifiques ont obtenu des spectres suite à la découverte spectaculaire du signal d'onde gravitationnelle GW170817 en août 2017. En plus d'un sursaut gamma, le kilonova AT2017gfo, une rémanence en lumière visible due à des processus radioactifs, qui s'estompe en quelques jours après une première forte augmentation de la luminosité, s'est produit au même endroit. La première analyse des spectres en 2017 par un autre groupe de chercheurs n'a pas donné de résultat clair sur la composition des produits de réaction.

Le Dr Hansen et ses collègues ont basé leur réévaluation sur la création de spectres synthétiques et la modélisation des spectres observés, qui ont été enregistrés sur quatre jours à des intervalles d'un jour chacun. Les spectres indiquent un objet avec une température initiale d'environ 3700 K (environ 3400 °C), qui s'estompa et se refroidit les jours suivants. Les déficits de luminosité aux longueurs d'onde de 350 et 850 nm sont évidents. Ce sont comme des empreintes digitales de l'élément qui absorbe la lumière dans ces parties du spectre.

Compte tenu du décalage vers le bleu de ces raies d'absorption causé par l'effet Doppler produit par l'expansion consécutive à la fusion, le groupe de recherche a calculé les spectres d'un grand nombre d'atomes en utilisant trois méthodes de plus en plus complexes. Étant donné que ces méthodes ont toutes donné des résultats cohérents, la conclusion finale est robuste. Il s'est avéré que seul le strontium généré par le processus r est capable d'expliquer les positions et la force des caractéristiques d'absorption dans les spectres.

Progrès dans la compréhension de la nucléosynthèse des éléments lourds

« Les résultats de ces travaux sont une étape importante dans le décryptage de la nucléosynthèse des éléments lourds et de leurs sources cosmiques, " conclut Hansen. "Cela n'a été possible qu'en combinant la nouvelle discipline de l'astronomie des ondes gravitationnelles avec la spectroscopie précise du rayonnement électromagnétique. Ces nouvelles méthodes donnent l'espoir d'avoir d'autres informations révolutionnaires sur la nature du processus r."