D’anciennes étoiles à neutrons fabriquent des éléments encore inconnus de l’humain
Un groupe de chercheurs des États-Unis, du Canada et de Suède a découvert que d’anciennes étoiles à neutrons pourraient avoir créé des éléments d’une masse atomique supérieure à 260.
Avec une masse atomique de 238, l’uranium est l’élément naturel le plus lourd connu sur Terre, bien que d’autres, comme le plutonium, aient été trouvés à l’état de traces à la suite de réactions dans des gisements d’uranium. La plupart des éléments plus lourds, dont la masse varie entre 237 (Neptunium) et 266 (Lawrencium), sont le résultat de processus humains ou d’expérimentations.
Mais les étoiles à neutrons sont depuis longtemps considérées comme de véritables usines à éléments lourds. Les éléments dont la masse est supérieure à 260 sont obtenus par capture rapide de neutrons, ou « processus r« , qui produit la plupart des éléments plus lourds que le fer (masse atomique 55,8), notamment l’uranium, le platine, l’or et l’argent. Ce processus se déroule lors de la formation d’étoiles à neutrons. Ces étoiles, qui se forment souvent par paires à la suite d’une supernova, peuvent éventuellement entrer en collision les unes avec les autres.
Ces collisions sont essentielles à la formation des éléments lourds. Dans ces environnements denses et très chauds, le processus r permet aux neutrons de bombarder les atomes et de s’y accrocher, avant d’être projetés dans l’espace. Selon une étude publiée cette semaine (lien plus bas), si ces processus sont des sites connus pour la création de métaux périodiques lourds, des processus plus massifs que ceux connus des Terriens sont possibles.
Représentation artistique de deux étoiles à neutrons entrant en collision. (NASA/ Swift/ Dana Berry)
Selon l’auteur principal de l’étude, le Dr Ian Roederer, physicien à l’université d’État de Caroline du Nord :
Le processus r est nécessaire si l’on veut fabriquer des éléments plus lourds que, par exemple, le plomb et le bismuth. Il faut ajouter de nombreux neutrons très rapidement, mais le problème est qu’il faut beaucoup d’énergie et de neutrons pour y parvenir. Et le meilleur endroit pour trouver ces deux éléments est la naissance ou la mort d’une étoile à neutrons, ou lorsque ces étoiles entrent en collision et produisent les ingrédients bruts nécessaires au processus.
Les nombreuses inconnues concernant le déroulement du phénomène dans l’univers ont incité l’équipe de Roederer à étudier 42 anciennes étoiles de la Voie lactée afin d’améliorer la compréhension de la formation des éléments. Ils ont découvert de nouveaux modèles dans les éléments lourds présents dans ces étoiles, qui suggèrent qu’ils sont des restes de la division atomique (fission) d’éléments plus lourds. Comme l’uranium et ses compagnons radioactifs, ces éléments lourds sont instables et se désintègrent à grande échelle en éléments stables.
Roederer ajoute :
Les conditions du processus sont assez extrêmes. Nous n’avons pas une bonne idée du nombre de sites différents dans l’univers qui peuvent générer le processus r, nous ne savons pas comment il se termine, et nous ne pouvons pas répondre à des questions telles que : combien de neutrons peut-on ajouter ? Ou à quel point un élément peut-il être lourd ?
Parmi les éléments étudiés, on trouve des matériaux stables, situés au milieu du tableau périodique, comme l’argent et le rhodium. Les signaux identifiés suggèrent qu’ils sont le produit de la désintégration de métaux qui avaient à l’origine une masse d’au moins 260, avant de se diviser.
Roederer de conclure :
Nous n’avions jamais détecté d’éléments aussi lourds dans l’espace ou naturellement sur Terre, même lors d’essais d’armes nucléaires. Mais le fait de les voir dans l’espace nous donne des indications sur la manière d’envisager les modèles et la fission, et pourrait nous permettre de comprendre comment la riche diversité des éléments est apparue.
L’étude publiée dans Science : Element abundance patterns in stars indicate fission of nuclei heavier than uranium et présentée sur le site de l’Université du Michigan : Extreme conditions in stars produce the universe’s heaviest elements.
