Les collisions d'étoiles à neutrons ne créent pas la quantité d'éléments chimiques précédemment supposée, une nouvelle analyse de l'évolution des galaxies trouve. La recherche révèle également que les modèles actuels ne peuvent pas expliquer la quantité d'or dans le cosmos, créant ainsi un mystère astronomique. Le travail a produit un nouveau tableau périodique montrant les origines stellaires des éléments naturels allant du carbone à l'uranium.

Tout l'hydrogène de l'univers, y compris chacune de ses molécules sur Terre, a été créé lors du Big Bang, qui a aussi produit beaucoup d'hélium et de lithium, mais pas grand chose d'autre. Le reste des éléments naturels est fabriqué par des processus nucléaires qui se déroulent à l'intérieur des étoiles. La masse régit exactement quels éléments sont forgés, mais ils sont tous libérés dans les galaxies dans les derniers instants de chaque étoile - de manière explosive, dans le cas de très gros, ou comme des sorties denses, semblable au vent solaire, pour ceux de la même classe que le soleil.

"On peut considérer les étoiles comme des autocuiseurs géants où de nouveaux éléments sont créés, " a expliqué le co-auteur, le professeur agrégé Karakas du Centre d'excellence australien de l'ARC pour l'astrophysique du ciel en trois dimensions (ASTRO 3-D).

"Les réactions qui produisent ces éléments fournissent également l'énergie qui fait briller les étoiles pendant des milliards d'années. À mesure que les étoiles vieillissent, ils produisent des éléments de plus en plus lourds au fur et à mesure que leur intérieur se réchauffe."

On pensait que la moitié de tous les éléments plus lourds que le fer, tels que le thorium et l'uranium, étaient fabriqués lorsque les étoiles à neutrons, les restes surdenses de soleils éteints, se sont écrasés l'un dans l'autre. Longtemps théorisé, les collisions d'étoiles à neutrons n'ont été confirmées qu'en 2017. cependant, Une nouvelle analyse de Karakas et de ses collègues astronomes Chiaki Kobayashi et Maria Lugaro révèle que le rôle des étoiles à neutrons a peut-être été considérablement surestimé et qu'un autre processus stellaire est responsable de la fabrication de la plupart des éléments lourds.

"Les fusions d'étoiles à neutrons n'ont pas produit suffisamment d'éléments lourds au début de la vie de l'univers, et ils ne le font toujours pas maintenant, 14 milliards d'années plus tard, " dit Karakas. " L'univers ne les a pas rendus assez rapides pour expliquer leur présence dans des étoiles très anciennes, et, globalement, il n'y a tout simplement pas assez de collisions en cours pour expliquer l'abondance de ces éléments aujourd'hui."

Au lieu, les chercheurs ont découvert que les éléments lourds devaient être créés par un tout autre type de phénomène stellaire :des supernovae inhabituelles qui s'effondrent en tournant à grande vitesse et en générant de puissants champs magnétiques. La découverte est l'une des nombreuses issues de leurs recherches, qui vient de paraître dans le Journal d'astrophysique . Leur étude est la première fois que les origines stellaires de tous les éléments naturels du carbone à l'uranium ont été calculées à partir des premiers principes.

La nouvelle modélisation, disent les chercheurs, va considérablement changer le modèle actuellement accepté de la façon dont l'univers a évolué." Par exemple, nous avons construit ce nouveau modèle pour expliquer tous les éléments à la fois, et trouvé assez d'argent mais pas assez d'or, " a déclaré le co-auteur, le professeur agrégé Kobayashi, de l'Université de Hertfordshire au Royaume-Uni.

"L'argent est surproduit mais l'or est sous-produit dans le modèle par rapport aux observations. Cela signifie que nous pourrions avoir besoin d'identifier un nouveau type d'explosion stellaire ou de réaction nucléaire." L'étude affine les études précédentes qui calculent les rôles relatifs de la masse des étoiles, l'âge et l'arrangement dans la production des éléments. Par exemple, les chercheurs ont établi que les étoiles plus petites qu'environ huit fois la masse du soleil produisent du carbone, l'azote et le fluor, ainsi que la moitié de tous les éléments plus lourds que le fer. Des étoiles massives de plus de huit fois la masse du soleil qui explosent également en tant que supernovae à la fin de leur vie produisent de nombreux éléments, du carbone au fer, y compris la plupart de l'oxygène et du calcium nécessaires à la vie.

« En dehors de l'hydrogène, il n'y a pas d'élément unique qui ne puisse être formé que par un seul type d'étoile, " expliqua Kobayashi.

"La moitié du carbone est produite à partir d'étoiles de faible masse mourantes, mais l'autre moitié provient des supernovae. Et la moitié du fer provient des supernovae normales des étoiles massives, mais l'autre moitié a besoin d'une autre forme, connu sous le nom de supernovae de type Ia. Celles-ci sont produites dans des systèmes binaires d'étoiles de faible masse."

Paires d'étoiles massives liées par la gravité, en revanche, peut se transformer en étoiles à neutrons. Quand ceux-ci s'entrechoquent, l'impact produit certains des éléments les plus lourds trouvés dans la nature, y compris l'or.

Sur la nouvelle modélisation, cependant, les chiffres ne s'additionnent tout simplement pas.

"Même les estimations les plus optimistes de la fréquence de collision des étoiles à neutrons ne peuvent tout simplement pas expliquer l'abondance de ces éléments dans l'univers, " dit Karakas. " C'était une surprise. Il semble que les supernovae en rotation avec de forts champs magnétiques soient la véritable source de la plupart de ces éléments. »

Co-auteur Dr. Maria Lugaro, qui occupe des postes à l'Observatoire Konkoly en Hongrie et à l'Université Monash en Australie, pense que le mystère de l'or manquant peut être résolu très bientôt. "De nouvelles découvertes sont à attendre des installations nucléaires du monde entier, y compris l'Europe, les États-Unis et le Japon, ciblant actuellement les noyaux rares associés aux fusions d'étoiles à neutrons, " dit-elle. " Les propriétés de ces noyaux sont inconnues, mais ils contrôlent fortement la production des abondances d'éléments lourds. Le problème astrophysique de l'or manquant peut en effet être résolu par une expérience de physique nucléaire."

Les chercheurs admettent que de futures recherches pourraient découvrir que les collisions d'étoiles à neutrons sont plus fréquentes que les preuves ne le suggèrent jusqu'à présent, auquel cas leur contribution aux éléments qui composent tout, des écrans de téléphones portables au combustible des réacteurs nucléaires, pourrait être à nouveau revue à la hausse.

Pour le moment, cependant, ils semblent offrir beaucoup moins d'argent pour leur frange.