Découverte : Deux cataclysmes stellaires ont ensemencé le futur Soleil et ses planètes

Fusion de deux étoiles à neutrons. © NSF/Ligo/Sonoma State Univ.
Comment sont apparus l’or, le platine, l’uranium et autres éléments chimiques si précieux sur notre planète ? Deux études récentes précisent leur origine. Deux types d’épisodes violents survenant en fin de vie des étoiles sont notamment le creuset de ces éléments lourds : les novae et la fusion d’étoiles à neutrons.

On connaît la chanson : nous sommes tous des poussières d’étoiles. Tous les éléments chimiques plus lourds que l’hydrogène et l’hélium, essentiels à notre existence, ont été forgés au cœur de ces usines cosmiques, puis disséminés dans l’espace avant d’être incorporés au Système solaire. Mais quand et comment exactement ? Deux équipes d’astronomes révèlent aujourd’hui qu’une bonne part de ces pépites ont été mélangées au cocon qui a vu naître le Soleil peu de temps avant que celui-ci ne s’allume. Notamment grâce à l’un des phénomènes les plus violents qui soient : la fusion de deux étoiles à neutrons.

Les astronomes savent depuis longtemps que la plupart des éléments lourds, comme l’oxygène, le soufre, le silicium, sont formés dans le cœur des étoiles, puis qu’ils sont été éjectés dans l’espace à la mort de ces dernières. Les plus massives d’entre elles, plus énergétiques, forgent des éléments plus lourds encore, comme le fer, en explosant dans un feu d’artifice que l’on appelle supernovae.

Ces cataclysmes cosmiques ne dégagent pourtant pas encore suffisamment d’énergie pour façonner les éléments plus lourds que le fer comme l’or, le plutonium ou l’uranium. Alors d’où vient la matière première de notre système monétaire ou le combustible de nos centrales nucléaires ? Les astronomes suivent une piste fascinante.

L’or et l’uranium, fruits de la fusion d’étoiles à neutrons

« Ces éléments très lourds sont appelés éléments r ; “r” comme rapide car ils ne peuvent se former que lors d’un mécanisme nommé “capture rapide de neutrons”, où des noyaux atomiques absorbent très vite les neutrons autour d’eux », explique Imre Barthos, de l’université de Floride.

Imre Barthos, de l’université de Floride. Courtesy NY City Lens.

La fusion d’étoiles à neutrons, ces cadavres ultradenses d’étoiles massives, est l’usine parfaite pour fabriquer les éléments r : le phénomène est ultraénergétique et les neutrons sont partout. Jusqu’à récemment, ces événements n’étaient que théoriques. Mais en août 2017, les observatoires Ligo et Virgo ont détecté des ondes gravitationnelles émanant précisément d’une de ces monstrueuses fusions. L’enquête sur l’origine de l’uranium et de l’or se resserrait.

Sur la piste du coupable

Encore fallait-il, parmi les fusions d’étoiles à neutrons suspectes, identifier celle qui avait pu ensemencer le futur Soleil, et par là même notre planète. Deux indices ont aidé les limiers de l’astrophysique :

1. Au contraire des supernovae, relativement fréquentes (trois par siècle dans la Galaxie), les fusions d’étoiles à neutrons sont rares. Elles surviennent en moyenne une fois tous les 100 000 ans. Ces événements sont donc plus faciles à distinguer les uns des autres.

2. Ces collisions dantesques laissent derrière elle des traces indélébiles. Lorsqu’ils se mêlent à la nébuleuse présolaire (la masse de gaz d’où émergera notre étoile), les « éléments r » de la famille dite des actinides (notamment le curium 247, le plutonium 244 et l’iode 129) se sont figés en microcristaux très riches d’enseignements », explique Imre Barthos.

Des indices dans les météorites

Ces microcristaux bavards, les chercheurs les ont dénichés dans les archives du Système solaire : les météorites. En particulier celles qui n’ont quasiment pas subi de transformation depuis leur formation il y a 4,5 milliards d’années : les météorites carbonées, dont la célèbre Allende tombée au Mexique en 1969.

Un morceau de la météorite Allende, tombée le 8 février 1969 au Mexique. © H. Raab

« La façon précise dont ces cristaux se sont figés nous permet de déduire l’abondance des éléments r présents dans la nébuleuse présolaire. Comme il s’agit d’éléments radioactifs, qui décroissent avec le temps, ils nous servent d’horloge pour déterminer combien de temps s’est écoulé entre leur création lors d’une fusion d’étoiles à neutrons et leur incorporation à la nébuleuse présolaire », explique Imre Barthos.

« Ils nous permettent aussi d’estimer à quelle distance ladite fusion s’est produite. En effet, plus l’événement est proche et récent, moins les éléments radioactifs ont eu le temps de décroître au cours de leur voyage, et plus ils sont abondants dans les météorites », précise le chercheur.

Une collision stellaire 80 millions d’années avant le Soleil

L’analyse d’Allende et d’autres météorites a permis à l’équipe d’Imre Barthos de comprendre que l’un des responsables de l'enrichissement du futur Soleil était assez proche de lui, et qu’il a œuvré peu de temps avant que notre étoile ne s’allume.

Pour resserrer l’étau, les chercheurs ont eu recours aux simulations numériques. « Nous avons pris en compte les 100 000 fusions d’étoiles à neutrons qui, statistiquement, se sont produites en divers lieux de la Galaxie avant que le Système solaire ne se forme, et nous avons examiné laquelle d’entre elles pouvait le mieux reproduire les abondances d’éléments r retrouvés dans les météorites », décrit Imre Barthos.

Verdict : un pic d’apport en éléments r est noté 80 millions d’années avant la naissance du Soleil. L’une des fusions d’étoiles à neutrons qui a ensemencé notre système planétaire en or, uranium et plutonium se serait donc produite moins de 100 millions d’années avant que le Soleil ne s’allume et, foi de simulation numérique, à seulement 1000 années-lumière de là.

« D’après nos résultats, c’est à cet événement seul que l’on doit 0,3 % de tout l’or de la Terre et 10 % de tous les matériaux radioactifs utilisés dans nos centrales nucléaires », conclut Imre Barthos.

Peu avant ou peu après ce moment clé, un événement violent d’une autre nature allait parsemer le cocon solaire d’autres précieuses pépites, et fortement peser sur notre histoire. Là encore, ce sont les météorites qui ont mis les astronomes sur la piste.

Une poussière d’étoiles plus vieille que le Soleil

Dans une météorite collectée en Antarctique en 2003, une chondrite carbonée très peu altérée, l’équipe de Pierre Haenecour (université d’Arizona), a découvert un grain présolaire. Ce grain microscopique de carbone et de silicate est d’une valeur scientifique inestimable : il a été formé avant le Système solaire. Pour s’en convaincre, les chercheurs ont mesuré sur ce grain le rapport entre deux isotopes du carbone : le carbone 12 et le carbone 13. « Le rapport C12/C13 constitue une véritable signature d’un système stellaire, explique Pierre Haenecour. Dans le nôtre, il est de 89. Dans ce grain, il est de 1,41. Aucun processus, ni chimique ni biologique, ne peut l’avoir modifié à ce point. Une seule explication : il est antérieur au Soleil. Les grains comme celui-ci sont ultraprécieux : ils nous renseignent sur la composition du cocon où est née notre étoile. C’est une fenêtre ouverte sur nos origines. »

Pierre Haenecour, de l’université d’Arizona. © Univ. of Arizona/Maria Schuchardt

Ces pépites ont aussi joué un rôle capital dans notre histoire : le silicate et le carbone qu’elles contiennent sont respectivement les ingrédients de base des planètes et de la vie qui peuple la Terre. D’où viennent exactement ces trésors ? « Selon les modèles théoriques en vigueur, un rapport C12/C13 de 1,41 indique que ce grain a été expulsé dans l’espace par une nova. »

Expulsé d’une nova

Un tel phénomène survient lorsque, dans un couple stellaire, une naine blanche vampirise l’autre étoile. À force d’aspirer la matière de sa compagne, la naine blanche voit sa pression et sa température augmenter. Tant et si bien qu’une réaction de fusion thermonucléaire explosive s’enclenche, faisant fortement augmenter son éclat. Dans le ciel, on dirait alors qu’une nouvelle étoile s’est allumée. D’où le nom de nova donné au phénomène.

Le grain microscopique retrouvé dans une météorite de l’Antarctique nous vient d’une nova, un événement violent observé dans certains couples d’étoiles. © Nasa/CXC/STScI/NRAO

« D’après nos modèles, ce type de grains est produit dans les 100 premiers jours qui suivent l’explosion d’une nova », précise Pierre Haenecour. Quand la nova qui a ensemencé la nébuleuse présolaire est-elle survenue ? « Le grain trouvé en Antarctique est trop petit pour que l’on puisse dater à quel moment précis il a été éjecté dans l’espace, mais nous estimons que c’est moins de 100 millions d’années avant la naissance du Soleil. Nous espérons en trouver de plus gros, pour affiner la chronologie ».

Nous sommes tous des poussières d’étoiles. Notamment celles semées, peu avant que le Soleil ne sorte de son cocon, par une nova et une fusion d’étoiles à neutrons. Grâce à ces deux enquêtes scientifiques, on connaît un peu mieux la chanson.

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