Des éléments superlourds forgés lors de collisions stellaires géantes

Des preuves évidentes de noyaux produits par fission ont été découvertes dans les spectres d’émission des étoiles de la Voie Lactée. Ces fragments de fission, qui ont été prédits par des modèles théoriques mais jamais observés auparavant, suggèrent que des événements tels que des fusions d’étoiles à neutrons et éventuellement certaines supernovae produisent des éléments plus lourds que ceux observés auparavant dans la nature.

Les éléments plus lourds que le bismuth-209 sont tous radioactifs, leur construction nécessite donc naturellement un bombardement rapide de neutrons à haute énergie, permettant aux noyaux de capturer chaque neutron avant qu’il ne se désintègre suite à l’événement de capture précédent. Cette procédure, connue sous le nom de r-processus, a été documenté dans les fusions d’étoiles à neutrons depuis une observation par le Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (Ligo) en 2017, et la question de savoir si cela se produit lors d’autres événements stellaires reste intensément débattue.

Un bombardement neutronique extrêmement rapide devrait créer des noyaux lourds et fissiles, dont les fragments devraient être incorporés dans de nouvelles étoiles. La fission de ces noyaux devrait produire des fragments avec un rapport de masse prévisible. Les astrophysiciens nucléaires ont donc prédit que les étoiles fortement enrichies en noyaux lourds – ce qui implique qu’elles se sont formées à partir de matériaux ayant subi une très forte r-processus – devrait être en outre enrichi en éléments spécifiques, notamment l’argent, le palladium, le platine et l’osmium qui représentent les produits de fission de noyaux encore plus lourds.

Ian Roederer, astronome de l’Université d’État de Caroline du Nord, et un groupe international de collègues ont étudié 42 spectres stellaires catalogués de la Voie lactée. Ils ont notamment analysé les intensités relatives des raies d’absorption de noyaux de masses comprises entre 42 et 78 ainsi que celles de l’europium-151 et de l’europium-153. L’équipe a ensuite comparé le rapport europium/fer (une mesure courante de l’enrichissement d’une étoile dans r-éléments de processus) et ont constaté que, même en soustrayant l’enrichissement direct qui pourrait s’expliquer par le r-processus, il y a eu un fort enrichissement dans les régions spectrales spécifiques où des fragments de fission seraient attendus.

Roederer dit que, même s’il semblait inévitable que des fragments de fission soient présents, la mesure quantitative est inestimable et permet finalement d’évaluer les masses les plus élevées que les fragments de fission peuvent atteindre. r-le processus peut produire. « Il doit y en avoir au moins 260, sur la base des masses que nous trouvons », note-t-il. « Honnêtement, je ne m’attendais pas à trouver des signatures aussi fortes. » Roederer explique que les travaux futurs viseront à fournir une image plus claire des types d’événements de désintégration qui auraient pu donner lieu aux profils d’enrichissement découverts par l’équipe.

« La fission a été incluse dans r-processus de calcul depuis de nombreuses années, mais il reposait sur des calculs théoriques des barrières de fission et de la répartition des fragments de fission, etc.… cela n’a jamais été comparé avec autant de soin aux caractéristiques d’observation», explique l’astrophysicien théoricien Friedel Thielemann de l’Université de Bâle à Suisse. « En ce sens, il s’agit d’une approche très ambitieuse et très prudente. » Bien qu’il admette que l’idée est « spéculative », Thielemann espère qu’avec de meilleures observations, il deviendra un jour possible d’effectuer le processus inverse : au lieu d’avoir besoin de modéliser des noyaux instables à haute énergie pour interpréter les observations astronomiques, les chercheurs pourraient être en mesure de utiliser les observations astronomiques pour contraindre les calculs des noyaux instables.