Une équipe de chercheurs internationaux est revenue sur la formation du système solaire il y a 4,6 milliards d'années pour acquérir de nouvelles connaissances sur l'origine cosmique des éléments les plus lourds de la table périodique.

Dirigé par des scientifiques qui collaborent dans le cadre du Réseau international de recherche en astrophysique nucléaire (IReNA) (irenaweb.org) et du Joint Institute for Nuclear Astrophysics—Center for the Evolution of the Elements (JINA-CEE) (jinaweb.org), l'étude est publiée dans le dernier numéro de la revue Science .

Les éléments lourds que nous rencontrons dans notre vie quotidienne, comme le fer et l'argent, n'existait pas au commencement de l'univers, il y a 13,7 milliards d'années. Ils ont été créés dans le temps par des réactions nucléaires appelées nucléosynthèse qui combinaient des atomes. En particulier, iode, or, platine, uranium, plutonium, et curium, certains des éléments les plus lourds, ont été créés par un type spécifique de nucléosynthèse appelé processus de capture rapide de neutrons, ou r processus.

La question de savoir quels événements astronomiques peuvent produire les éléments les plus lourds est un mystère depuis des décennies. Aujourd'hui, on pense que le processus r peut se produire lors de collisions violentes entre deux étoiles à neutrons, entre une étoile à neutrons et un trou noir, ou lors de rares explosions consécutives à la mort d'étoiles massives. De tels événements hautement énergétiques se produisent très rarement dans l'univers. Quand ils le font, les neutrons sont incorporés dans le noyau des atomes, puis converti en protons. Puisque les éléments du tableau périodique sont définis par le nombre de protons dans leur noyau, le processus r construit des noyaux plus lourds à mesure que plus de neutrons sont capturés.

Certains des noyaux produits par le processus r sont radioactifs et mettent des millions d'années à se désintégrer en noyaux stables. L'iode-129 et le curium-247 sont deux de ces noyaux qui ont été produits avant la formation du soleil. Ils ont été incorporés dans des solides qui sont finalement tombés à la surface de la terre sous forme de météorites. A l'intérieur de ces météorites, la désintégration radioactive a généré un excès de noyaux stables. Aujourd'hui, cet excès peut être mesuré en laboratoire afin de déterminer la quantité d'iode-129 et de curium-247 qui étaient présents dans le système solaire juste avant sa formation.

Pourquoi ces deux noyaux du processus r sont-ils si spéciaux ? Ils ont une propriété particulière en commun :ils se désintègrent presque exactement à la même vitesse. En d'autres termes, le rapport entre l'iode-129 et le curium-247 n'a pas changé depuis leur création, il y a des milliards d'années.

"C'est une coïncidence incroyable, en particulier étant donné que ces noyaux sont deux des cinq noyaux du processus r radioactifs qui peuvent être mesurés dans les météorites, " dit Benoit Côté? de l'Observatoire de Konkoly, le chef de l'étude. "Avec le rapport iode-129 au curium-247 figé dans le temps, comme un fossile préhistorique, nous pouvons avoir un regard direct sur la dernière vague de production d'éléments lourds qui a construit la composition du système solaire, et tout ce qu'il contient."

Iode, avec ses 53 protons, est plus facile à créer que le curium avec ses 96 protons. En effet, il faut plus de réactions de capture de neutrons pour atteindre le plus grand nombre de protons du curium. En conséquence, le rapport iode-129 au curium-247 dépend fortement de la quantité de neutrons disponibles lors de leur création.

L'équipe a calculé les rapports de l'iode-129 au curium-247 synthétisés par les collisions entre les étoiles à neutrons et les trous noirs pour trouver le bon ensemble de conditions qui reproduisent la composition des météorites. Ils ont conclu que la quantité de neutrons disponibles lors du dernier événement du processus r avant la naissance du système solaire ne pouvait pas être trop élevée. Autrement, trop de curium aurait été créé par rapport à l'iode. Cela implique que les sources très riches en neutrons, comme la matière arrachée à la surface d'une étoile à neutrons lors d'une collision, n'a probablement pas joué un rôle important.

Alors, qu'est-ce qui a créé ces noyaux de processus r? Alors que les chercheurs pouvaient fournir des informations nouvelles et perspicaces sur la façon dont ils ont été fabriqués, ils ne pouvaient pas cerner la nature de l'objet astronomique qui les a créés. En effet, les modèles de nucléosynthèse sont basés sur des propriétés nucléaires incertaines, et on ne sait toujours pas comment lier la disponibilité des neutrons à des objets astronomiques spécifiques tels que les explosions d'étoiles massives et les collisions d'étoiles à neutrons.

"Mais la capacité du rapport iode-129 à curium-247 à scruter plus directement la nature fondamentale de la nucléosynthèse des éléments lourds est une perspective passionnante pour l'avenir, " a déclaré Nicole Vassh de l'Université de Notre Dame, co-auteur de l'étude.

Avec ce nouvel outil de diagnostic, des progrès dans la fidélité des simulations astrophysiques et dans la compréhension des propriétés nucléaires pourraient révéler quels objets astronomiques ont créé les éléments les plus lourds du système solaire.

"De telles études ne sont possibles qu'en fédérant une équipe pluridisciplinaire, où chaque collaborateur contribue à une pièce distincte du puzzle. La réunion Frontiers JINA-CEE 2019 a fourni l'environnement idéal pour formaliser la collaboration qui a conduit au résultat actuel, " dit Côté.