Une nouvelle hypothèse sur l’origine de l’or

Spécialiste des étoiles, l’astrophysicienne Anna Frebel en parle comme de l’ultime secret de la poussière d’étoile : D’où l’or vient-il?

Daniel Siegel, dernier en date des professeurs associés à l’Institut Périmètre, croit enfin le savoir.

Récemment arrivé de l’Université Columbia de New York, M. Siegel a travaillé sur le sujet avec ses collègues Jennifer Barnes et Brian D. Metzger de Columbia. Leur article, tout récemment publié dans la revue Nature, présente un nouveau scénario des processus cosmiques qui produisent de l’or et d’autres éléments lourds.

Un trou dans le tableau périodique

« Cette année marque le 150^e anniversaire du tableau périodique des éléments, indique M. Siegel. Nous soulignons cet anniversaire en bousculant des idées antérieures sur la production d’éléments lourds dans l’univers. » [traduction]
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Les physiciens ont une bonne idée de ce qui se passe quant à la moitié supérieure du tableau périodique — c’est-à-dire le fer et tous les éléments plus légers. À l’intérieur des étoiles, la fusion nucléaire fabrique, à partir des éléments légers créés lors du Big Bang, des éléments de plus en plus lourds, en dégageant de l’énergie à chaque étape de cet escalier atomique. Dans les étoiles les plus grosses, cela se poursuit essentiellement jusqu’à l’élément n^o 26, le fer. La fusion à partir du fer demande plus d’énergie qu’elle n’en produit, et le fer ne peut donc servir de combustible pour alimenter une étoile. Une étoile qui commence à produire du fer est condamnée — son centre va s’effondrer sur lui-même, alors que ses couches externes vont exploser en une supernova.

Voilà donc pour la moitié supérieure du tableau périodique — les 3 premières lignes et demie. Qu’en est-il de la 4^e à la 7^e lignes? On croit qu’environ la moitié de ces éléments sont produits par l’ajout progressif de neutrons à des éléments existants dans le cœur dense de certaines étoiles géantes. (C’est ce que l’on appelle le processus de capture neutronique lente, ou processus s — « s » pour slow en anglais.) L’origine des autres éléments — notamment l’or — est demeurée mystérieuse. On sait qu’ils sont produits par le processus de capture neutronique rapide, ou processus r, mais où? Au départ, on croyait que le processus r se déroulait non pendant la vie d’une étoile, mais pendant sa mort : dans l’explosion en supernova elle-même.

Mais l’idée que l’or puisse être produit lors de supernovas a commencé à battre de l’aile dans les années 1990, lorsque des modèles ont laissé entendre que les conditions requises par le processus r n’étaient pas réunies dans la plupart des supernovas. Plus tard, des mesures comparant la composition de la croûte terrestre et celle de météorites impliquaient que les éléments résultant du processus r n’étaient pas produits en petite quantité par des processus communs, mais en grande quantité par des processus rares. Là encore, cela semblait exclure les supernovas accompagnant l’effondrement d’étoiles, processus commun à l’échelle cosmique.

Alors d’où vient l’or si même l’explosion d’étoiles ne peut en produire? « Il s’agit d’un grand mystère que l’on étudie maintenant depuis des décennies » [traduction], dit M. Siegel.

Les fusions d’étoiles à neutrons peuvent-elles créer de l’or?

Pour alimenter le processus r, il faut 3 ingrédients : des « semences » telles que des noyaux de fer; des neutrons à ajouter aux semences pour les alourdir; une forte densité pour faciliter la fusion des semences et des neutrons. Il n’y a pas de neutrons libres dans les supernovas, mais il y a en a dans les fusions d’étoiles à neutrons.

Les étoiles à neutrons sont les vestiges d’étoiles qui se sont effondrées. Elles sont denses au point où protons et électrons sont « entassés pour former des neutrons » [traduction], dit M. Siegel, formant une matière riche en neutrons et si dense qu’une cuillère à thé est aussi massive qu’une montagne. Les étoiles à neutrons ordinaires n’éjectent pas de matière, mais il arrive à l’occasion que 2 étoiles à neutrons entrent en collision — événement appelé fusion d’étoiles à neutrons.

Depuis quelques décennies, on étudie donc les fusions d’étoiles à neutrons comme origine probable de l’or contenu dans l’univers. Mais tous n’étaient pas convaincus : certains pensaient que les fusions d’étoiles à neutrons étaient peut-être trop rares ou éjectaient trop peu de matière pour expliquer l’abondance observée des éléments lourds.

« En 2017, il y a eu une grande percée, dit M. Siegel. Les observatoires d’ondes gravitationnelles ont détecté une fusion d’étoiles à neutrons. » [traduction] Dans une manifestation triomphale de l’astronomie multimessage, les télescopes optiques ont capté la lumière résiduelle de l’événement. Puis des bizarreries sont apparues.

L’émission thermique ne correspondait pas tout à fait aux prédictions des simulations informatiques de la collision. Elle était forte dans les régions rouge et infrarouge proche du spectre, laissant entendre que la collision avait éjecté une grande quantité de matière se déplaçant à des vitesses relativement faibles — étrange combinaison selon les experts.

Des équipes du monde entier se sont mises à chercher ce qui se passait.

Un nouveau modèle

Au moment de ces événements, Daniel Siegel et ses collègues venaient juste d’élaborer un modèle informatique des conséquences de collisions d’étoiles à neutrons. « Nous avions fait ces simulations et soumis un article quelques mois avant cette fusion » [traduction], dit-il.

Lorsque 2 étoiles à neutrons entrent en collision, l’énorme masse résultante peut s’effondrer sous son propre poids, formant un trou noir. Les débris créés par la collision forment un tourbillon chaud, en rotation rapide, centré sur le trou noir. Ce tourbillon s’appelle disque d’accrétion. Le modèle de M. Siegel mettait l’accent sur la physique détaillée du disque d’accrétion.

« Nous avons découvert dans ces disques d’accrétion un mécanisme physique très intéressant, qui avait été en grande partie négligé auparavant » [traduction], ajoute M. Siegel. La matière contenue dans le disque d’accrétion est si chaude que les atomes sont décomposés en protons, neutrons et électrons, et si dense que les électrons deviennent dégénérés. La dégénérescence des électrons est une notion complexe de mécanique quantique, mais dans ce cas sa conséquence pratique est d’augmenter l’abondance relative des neutrons.

Ce nouveau modèle était le premier à tenir compte de tous les ingrédients importants — la dégénérescence des électrons, les interactions faibles, la gravité forte et les champs magnétiques —, et donc le premier à mettre le doigt sur les neutrons excédentaires dans le disque d’accrétion et ses projections.

Concernant ces projections, le modèle prédit qu’un vent s’échappe du disque d’accrétion, emportant avec lui les neutrons excédentaires. À mesure que ce vent se répand dans l’espace et se refroidit, les protons et les neutrons commencent à fusionner pour former des semences, et les neutrons restants alimentent le processus r de formation d’éléments lourds.

L’équipe avait élaboré un modèle qui montrait la création d’or cosmique en quantités importantes. De plus, le modèle prédisait qu’une fusion d’étoiles à neutrons pouvait éjecter davantage de matière que ce à quoi l’on s’attendait précédemment, provoquant les fortes émissions dans les régions rouge et infrarouge proche du spectre — exactement ce que les télescopes ont effectivement permis de voir.

« Au bout du compte, nos prédictions fournissaient une explication naturelle des données » [traduction], dit M. Siegel. Il s’agit d’un rare cadeau pour tout scientifique. Mais les surprises de l’équipe ne se sont pas arrêtées là. Ses membres ont aussi découvert une toute nouvelle source d’éléments résultant du processus r — les collapsars.

Une nouvelle fabrique d’or

« Pendant que nous travaillions sur les disques d’accrétion des fusions d’étoiles à neutrons, nous nous sommes rendu compte que les mêmes phénomènes physiques — ceux qui sont à l’origine des vents des disques d’accrétion ainsi que du processus r qui produit des éléments lourds — devraient aussi s’appliquer à des systèmes astrophysiques très différents, à savoir les collapsars, dit M. Siegel. Là encore, nous étions face à quelques chose de beaucoup plus gros que ce à quoi nous pensions initialement. » [traduction]

Un collapsar est une étoile d’au moins 20 à 30 masses solaires en rotation rapide. À la fin de sa vie, un collapsar s’effondre pour devenir un trou noir, mais pas d’une façon nette. Le cœur s’effondre, mais la matière des couches externes continue de tourner, commence à se diffuser et forme un disque d’accrétion autour du trou noir nouvellement formé.

Tout comme dans le cas des fusions d’étoiles à neutrons, ces disques d’accrétion peuvent être de riches sources d’éléments tels que l’or, qui résultent du processus r.

En fait, les chercheurs de l’équipe croient que la plus grande partie de l’or contenu dans l’univers vient de collapsars, et non de fusions d’étoiles à neutrons. « Ces disques d’accrétion sont en réalité beaucoup plus massifs, tout simplement parce qu’il y avait au départ de 20 à 30 masses solaires » [traduction], fait remarquer M. Siegel. Plus de matière au départ signifie plus d’éléments résultant du processus r. Selon les calculs de l’équipe, environ 80 % de ces éléments viennent de collapsars, contre seulement 20 % issus de fusions d’étoiles à neutrons.

C’est une nouvelle réponse à une vieille question, la révélation de « l’ultime secret de la poussière d’étoile ».

Continuer de surveiller les étoiles

Mieux encore, cette réponse est vérifiable. Daniel Siegel et ses collègues travaillent sur leur modèle de manière à ce qu’il fasse des prédictions sur ce que l’on devrait — et ne devrait pas — voir si un télescope arrivait à capter une supernova de type collapsar et à en suivre l’évolution. M. Siegel est enthousiasmé : « Cela n’arrive pas souvent qu’une idée théorique amène une conclusion à la fois intéressante et vérifiable d’une manière relativement simple. » [traduction]

Il faudra de la chance pour capter un collapsar avec un télescope. Notre propre galaxie a depuis longtemps passé le stade où elle fabriquait des collapsars. « Les collapsars surviennent surtout dans des galaxies lointaines, et il y en a très peu dans les galaxies proches de nous, dit M. Siegel. Et nous avons besoin d’un collapsar assez proche pour étudier ce type de supernova pendant assez longtemps, car les supernovas éloignées passent trop rapidement sous les niveaux détectables.

« Nous travaillons avec des observateurs, poursuit-il. Il y a d’assez bonnes chances que nous puissions repérer d’ici 3 à 8 ans un collapsar intéressant qui soit suffisamment proche. » [traduction] Cela permettrait à son équipe, et en fait à toute la communauté scientifique, de faire passer un test crucial à ce nouveau modèle de production de l’or.

En attendant, nous pouvons regarder le tableau périodique — et l’or de nos bijoux — avec un peu plus de compréhension et un peu plus d’émerveillement.

Simulation d’un disque d’accrétion

À visionner : La simulation produite par l’équipe de chercheurs montre les conséquences d’une collision d’étoiles à neutrons ou d’une supernova de type collapsar. Le trou noir en rotation situé au centre est entouré d’un tourbillon dense et chaud de débris appelé disque d’accrétion. (La partie supérieure de la vidéo représente une coupe du disque et l’évolution de la densité d’une couche à l’autre. La partie inférieure montre le disque vu de dessus.) Environ 60 % seulement de la matière qui entre dans le disque tombera dans le trou noir. Les 40 % restants sont éjectés par les vents. On croit que cette matière éjectée constitue l’origine des éléments résultant du processus r, y compris l’or.