Comment les éléments chimiques sont-ils produits dans notre Univers ? D'où viennent les éléments lourds comme l'or et l'uranium ? À l'aide de simulations informatiques, une équipe de recherche du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung à Darmstadt, en collaboration avec des collègues belges et japonais, montre que la synthèse d'éléments lourds est typique de certains trous noirs avec des accumulations de matière en orbite, appelés disques d'accrétion. L'abondance prévue des éléments formés donne un aperçu des éléments lourds qui doivent être étudiés dans les futurs laboratoires, tels que le Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), actuellement en construction, pour découvrir l'origine des éléments lourds. Les résultats sont publiés dans la revue Monthly Notices of the Royal Astronomical Society .

Tous les éléments lourds sur Terre aujourd'hui se sont formés dans des conditions extrêmes dans des environnements astrophysiques :à l'intérieur des étoiles, dans des explosions stellaires et lors de la collision d'étoiles à neutrons. Les chercheurs sont intrigués par la question dans laquelle de ces événements astrophysiques existent les conditions appropriées pour la formation des éléments les plus lourds, tels que l'or ou l'uranium. La première observation spectaculaire d'ondes gravitationnelles et de rayonnement électromagnétique provenant d'une fusion d'étoiles à neutrons en 2017 a suggéré que de nombreux éléments lourds peuvent être produits et libérés lors de ces collisions cosmiques. Cependant, la question reste ouverte de savoir quand et pourquoi le matériau est éjecté et s'il peut y avoir d'autres scénarios dans lesquels des éléments lourds peuvent être produits.

Des candidats prometteurs pour la production d'éléments lourds sont les trous noirs orbités par un disque d'accrétion de matière dense et chaude. Un tel système se forme à la fois après la fusion de deux étoiles à neutrons massives et lors d'un soi-disant collapsar, l'effondrement et l'explosion ultérieure d'une étoile en rotation. La composition interne de tels disques d'accrétion n'a jusqu'à présent pas été bien comprise, notamment en ce qui concerne les conditions dans lesquelles se forme un excès de neutrons. Un nombre élevé de neutrons est une exigence de base pour la synthèse d'éléments lourds, car il permet le processus de capture rapide des neutrons ou processus r. Les neutrinos presque sans masse jouent un rôle clé dans ce processus, car ils permettent la conversion entre les protons et les neutrons.

"Dans notre étude, nous avons systématiquement étudié pour la première fois les taux de conversion des neutrons et des protons pour un grand nombre de configurations de disques au moyen de simulations informatiques élaborées, et nous avons constaté que les disques sont très riches en neutrons tant que certaines conditions sont respectées. rencontré », explique le Dr Oliver Just du groupe d'astrophysique relativiste de la division de recherche Théorie du GSI. "Le facteur décisif est la masse totale du disque. Plus le disque est massif, plus souvent les neutrons se forment à partir de protons par capture d'électrons sous émission de neutrinos, et sont disponibles pour la synthèse d'éléments lourds au moyen du r- Cependant, si la masse du disque est trop élevée, la réaction inverse joue un rôle accru de sorte que davantage de neutrinos sont capturés par les neutrons avant de quitter le disque. Ces neutrons sont ensuite reconvertis en protons, ce qui entrave le processus r ." Comme le montre l'étude, la masse optimale du disque pour une production prolifique d'éléments lourds est d'environ 0,01 à 0,1 masse solaire. Le résultat fournit des preuves solides que les fusions d'étoiles à neutrons produisant des disques d'accrétion avec ces masses exactes pourraient être le point d'origine d'une grande partie des éléments lourds. Cependant, la question de savoir si et à quelle fréquence de tels disques d'accrétion se produisent dans les systèmes de collapsar n'est actuellement pas claire.

En plus des processus possibles d'éjection de masse, le groupe de recherche dirigé par le Dr Andreas Bauswein étudie également les signaux lumineux générés par la matière éjectée, qui seront utilisés pour déduire la masse et la composition de la matière éjectée dans les futures observations de collision. étoiles à neutrons. Un élément important pour lire correctement ces signaux lumineux est la connaissance précise des masses et des autres propriétés des éléments nouvellement formés. "These data are currently insufficient. But with the next generation of accelerators, such as FAIR, it will be possible to measure them with unprecedented accuracy in the future. The well-coordinated interplay of theoretical models, experiments, and astronomical observations will enable us researchers in the coming years to test neutron star mergers as the origin of the r-process elements," predicts Bauswein.