Il n’y a pas assez d’étoiles pour expliquer tout l’or du monde

D’où vient l’or forgé par les étoiles ? Illustration Ciel & espace
Avec la fusion d’étoiles à neutrons, les astrophysiciens ont dans un premier temps cru avoir observé les sources manquantes des éléments lourds de la matière. Platine, or, iridium, l’histoire de leur origine est en réalité plus subtile.

Lors des fêtes de fin d’année, peut-être vous a-t-on offert un bijou. Peut-être celui-ci était-il en or. Et peut-être vous a-t-on poétiquement glissé : « Cet or provient d’une fusion d’étoiles à neutrons. » Une information vraie ? Là aussi, peut-être… Car les astrophysiciens, qui pensaient avoir récemment identifié les fabriques naturelles des éléments lourds — dont l’or — dans l’Univers, se retrouvent face à un problème. Lorsqu’on estime la quantité de collisions entre étoiles à neutrons, le compte n’y est pas. Ce type d’événement cosmique ne suffit pas. Les astronomes doivent trouver d’autres « forges » pour expliquer la quantité d’éléments lourds dans la nature.

Les étoiles à neutrons, mines d’or primordiales

L’or est un élément lourd. Combien pèse-t-il ? 79 protons. Autant de particules qui, avec 118 neutrons, composent le noyau d’un atome d’or. Mais pour réussir un tel assemblage, un apport extraordinaire d’énergie et un bombardement massif de neutrons sont requis. Ainsi, la fusion de deux étoiles à neutrons (ces résidus extrêmement compacts que certaines étoiles laissent derrière elle après avoir explosé en supernova) constitue un très bon creuset des éléments lourds. Elles sont le siège d’un processus de capture de neutrons : le processus r (r comme « rapide »).

La détection d’ondes gravitationnelles réalisée le 17 août 2017 a correspondu à un événement mille fois plus intense qu’une supernova : une kilonova, fraction visible d’une collision d’étoiles à netrons. © vue d'artiste : R.Hurt/Caltech-JPL

Un modèle conforté par l’observation récente d’un autre élément lourd, le strontium (38 protons). En mai 2019, celui-ci aurait été détecté dans les vestiges d’une collision d’étoiles à neutrons. Et pas n’importe laquelle. Celle du 17 août 2017, également source d’ondes gravitationnelles (Gravitationnal Waves en anglais) et donc baptisée GW170817. Cet événement cataclysmique est unique, car pour l’heure, c’est la seule source d’ondes gravitationnelles dont on a pu observer la contrepartie visible : une kilonova (sorte de supernova, mais 1000 fois plus intense). Pas moins de 70 télescopes autour du monde se sont braqués dans sa direction quelques instants après l’explosion. C’est ainsi que deux ans plus tard, après avoir décortiqué des spectres de lumière issus de la kilonova, l’équipe de Darach Watson (Institut Niels Bohr, Copenhague) a annoncé la présence de strontium, suggérant son élaboration in situ.

Des fusions trop peu fréquentes

Alors, réglé le problème de la production des éléments lourds ? Pas vraiment selon Patrick de Laverny, astronome à l’observatoire de la Côte d’Azur : « Dans nos modèles d’évolution chimique de la Galaxie, on se rendait compte qu’il manquait des sites de production. Puis, avec la détection de fusions d’étoiles à neutrons, la communauté a immédiatement cru que l’affaire était résolue, que nous avions trouvé la source manquante. En fait, il semble aujourd’hui que cette nouvelle source ne puisse pas tout expliquer à elle seule. »

Car ces collisions sont des événements trop rares. Elles surviennent moins d’une fois tous les 100 000 ans dans notre galaxie. « Que ce soit dans sa phase de halo initial ou de disque plus tardif, il est difficile de concilier l’évolution des éléments lourds dans la Voie lactée avec la fréquence trop faible à laquelle les étoiles à neutrons fusionnent », souligne Nicolas Prantzos (Institut d’astrophysique de Paris) dans ses travaux publiés en novembre 2019 sur l’abondance des éléments lourds dans notre galaxie.

Faites entrer les collapsars

Ce constat, issu de simulations, pousse de nombreux chercheurs et chercheuses à prospecter les sites de production manquants. Daniel Siegel (université de Guelph, Ontario) est l’un d’eux. Il s’est penché sur… les collapsars. Ce sont des formes particulières de supernova provenant d’immenses étoiles mourantes, dont la masse excède 20 à 30 fois celle de notre Soleil et qui tournent très vite sur elles-mêmes. L’explosion laisse derrière elle un trou noir, autour duquel un disque de matière se met à tourner. Celui-ci finira par être avalé par le trou noir.

Mais avant cela, le processus r y tourne à plein régime. La grande forge est en marche : celles de l’or et autres métaux rares convoités par les orfèvres de notre planète. La suite est une affaire de voyage interstellaire. « À la suite de la supernova qui a ouvert la voie, des vents de matière parviennent à se détacher du disque grâce à des effets thermiques. Ils se disséminent ensuite dans le milieu interstellaire à 10 % de la vitesse de la lumière », explique Daniel Siegel. Quant à l’ampleur à laquelle les collapsars contribuent à façonner l’Univers, le chercheur l’estime majoritaire. « Ce type de supernova est plus rare qu’une fusion d’étoiles à neutrons, mais la très grande quantité de matière éjectée compense. Nous calculons que les collapsars compteraient pour plus de 80% des éléments issus du processus r », annonce-t-il dans la revue Nature en mai 2019.

Les collapsars — l’explosion finale d’étoiles de plus de 20 masses solaires — forgeraient des éléments lourds comme l’or ou le platine. © vue d'artiste : Nasa/SkyWorks Digital

« Les collapsars sont de bons candidats à la création d’éléments pour lesquels seul le processus r fonctionne, comme l’or et le platine », note Nicolas Prantzos, qui ajoute : « Le processus r est le dernier processus de nucléosynthèse qui n’est pas encore parfaitement connu. Les autres [ceux qui créent des atomes plus légers, NDLR], nous en connaissons les sources qualitativement et quantitativement, avec confirmation dans les étoiles. Cette histoire d’ondes gravitationnelles a donné un coup de fouet à notre discipline stellaire. Et C’est très bien. »

Et sur Terre ?

À plus petite échelle dans le Système solaire, tout l’or du monde pourrait avoir une source unique. Un seul collapsar, ou une seule collision d’étoiles à neutrons. D’après Imre Bartos (université de Floride), un seul de ces événements suffirait à produire toute la quantité de plutonium et de curium présente dans le Système solaire. Et potentiellement celle d’autres éléments lourds. Une découverte faite en analysant la composition de météorites datant de l’époque de formation du Système solaire, il y a 4,6 milliards d’années. Une idée à prendre avec des pincettes selon Nicolas Prantzos : « Je ne suis pas sûr qu’ils aient pris en compte l’évolution globale de la Galaxie. Ils ont conclu que la source de deux éléments présents dans un morceau de météorite ne pouvait pas être aussi fréquente qu’une supernova classique. Donc pourquoi pas une fusion d’étoile à neutrons ou un collapsar. »

Affaire à suivre donc. Avant qu’un jour dans les bijouteries, comme l’on débat des plus beaux diamants entre les naturels et les artificiels, l’on discute du plus bel or. Celui des étoiles à neutrons ou celui des collapsars ?

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