Alchimie cosmique

De nouvelles observations mettent en évidence la façon dont les cataclysmes cosmiques donnent naissance aux éléments lourds du tableau périodique comme l’or, le strontium ou le platine.

L’ESSENTIEL

> On connaît bien les conditions de formation des éléments chimiques : juste après le Big Bang, pour les plus légers ; lors de la fusion nucléaire au cœur des étoiles jusqu’au fer avec ses 26 protons.

> L’origine des éléments lourds du tableau périodique, comme l’or et le platine, se limitait cependant jusqu’à récemment à des spéculations théoriques.

> En observant simultanément des ondes gravitationnelles et de la lumière émises lors de la fusion de deux étoiles à neutrons, les scientifiques ont montré que du strontium était présent. Lors de ces collisions cosmiques, les noyaux atomiques captureraient de nombreux neutrons très rapidement et seraient ainsi convertis en noyaux lourds.

L’AUTRICE

Ce texte est une adaptation de l’article Cosmic Alchemy, publié par Scientific American en janvier 2023.

SANJANA CURTIS astrophysicienne nucléaire au département d’astronomie et d’astrophysique de l’université de Chicago, aux États-Unis

Nous sommes entourés de poussières d’étoiles . Nous sommes aussi faits de poussières d’étoiles . Environ la moitié des atomes lourds plus lourds que le fer proviennent de certaines des explosions les plus violentes du cosmos. Alors que l’Univers s’agite , que de nouvelles étoiles et de nouvelles planètes se forment à partir de gaz et de poussières, ces éléments lourds finissent par atteindre la Terre et d’autres mondes Une évolution de 3,7 milliards d’années sur notre planète nous a rendus dépendants de ces éléments, nous les humains, ainsi que de nombreuses autres espèces L’iode , par exemple, entre dans la composition chimique des hormones dont nous avons besoin pour contrôler le développement de notre cerveau et réguler notre métabolisme Le microplancton océanique Acantharea utilise le strontium pour créer un squelette minéral complexe Le gallium est indispensable pour fabriquer des puces électroniques pour nos smartphones et des écrans pour nos ordinateurs portables .

Les miroirs du télescope spatial James-Webb sont couverts d’or, un élément très utile car il est inerte chimiquement et réfléchit la lumière infrarouge… sans parler de son succès en bijouterie

Les scientifiques connaissent depuis longtemps , dans ses grandes lignes , le processus à l’origine de ces éléments. Mais les détails sont restés très débattus pendant des années Jusqu’à ce que , récemment , des astronomes observent directement la synthèse d’éléments lourds. D’après ces nouveaux indices , il semblerait que les choses se déroulent à peu près de la manière suivante.

Il y a bien longtemps, une étoile plus de dix fois plus massive que notre Soleil est morte dans une explosion spectaculaire, donnant naissance à l’un des objets les plus étranges de l’Univers : une étoile à neutrons Cette nouvelle étoile n’était autre qu’un vestige du noyau stellaire initial , comprimé jusqu’à des densités extrêmes – la nature de la matière dans ces conditions n’est pas encore comprise L’étoile à neutrons aurait pu refroidir pour toujours dans les profondeurs de l’espace, et son histoire se serait arrêtée là Mais la plupart des étoiles massives font partie de systèmes binaires, avec une jumelle Le sort de la première étoile finit par s’abattre sur sa partenaire Les deux étoiles à neutrons se mirent alors à danser durant des millénaires, d’abord l’une autour de l’autre, puis en spirale , de plus en plus rapidement . Alors qu’elles se rapprochaient, des forces de marée les déchirèrent, projetant dans l’espace de la matière riche en neutrons , à des vitesses proches d’un tiers de la vitesse de la lumière. Enfin, les étoiles fusionnèrent, ce qui émit des ondulations de l’espace-temps et déclencha un feu d’artifice cosmique dans tout le spectre électromagnétique.

Fusion Au Cr Tac

Au moment de la fusion, dans une partie tranquille d’une galaxie lointaine, à environ

130 millions d’années-lumières, notre planète bleue abritait des dinosaures. Les ondulations de l’espace-temps, appelées « ondes gravitationnelles » , se frayèrent un chemin à travers le cosmos et, le temps qu’elles parcourent l’immense distance vers la Terre, la vie sur la planète changea drastiquement De nouvelles espèces évoluèrent et s’éteignirent, des civilisations se développèrent et disparurent, et des humains curieux observèrent le ciel, puis développèrent des instruments capables de faire des choses incroyables, comme mesurer d’infimes distorsions de l’espace - temps Finalement, les ondes gravitationnelles – qui se déplacent à la vitesse de la lumière – et la lumière émise lors de la fusion des deux étoiles à neutrons atteignirent la Terre en même temps Les astrophysiciens détectèrent un signal indiquant la présence de nouveaux éléments chimiques C’est ainsi que l’humanité assista à la production d’éléments lourds pour la première fois

En tant que spécialiste des cataclysmes cosmiques, je suis captivée à la fois par la science et par le romantisme de cette histoire – la création de quelque chose de nouveau et de durable, voire de précieux, à partir des vestiges d’une étoile Que nous puissions enfin voir ce qui se passe m’enthousiasme. Cette découverte a répondu à des questions que les astrophysiciens se posent depuis longtemps, mais elle soulève aussi des questions entièrement nouvelles Comme de nombreux scientifiques, je suis stimulée par le fait que, depuis récemment, nous pouvons détecter à la fois la lumière et les ondes gravitationnelles d’une même source cosmique Ceci va nous aider à comprendre les explosions cosmiques et la synthèse des éléments comme jamais auparavant

NOUS SOMMES DE LA POUSSIÈRE D’ÉTOILE

La recherche sur la formation des éléments lourds fait partie d’un effort scientifique plus vaste, qui cherche la réponse à une question fondamentale : d’où vient tout – tout ce qui existe ? L’histoire cosmique des éléments du tableau périodique s’étend de quelques minutes après le Big Bang jusqu’à nos jours La synthèse des premiers éléments, les plus légers (hydrogène, hélium et lithium), s’est produite environ trois minutes après la naissance de l’Univers. Les premières étoiles, très brillantes, se sont formées avec ces ingrédients. Elles ont fusionné en leur cœur de nouveaux éléments, d’abord au cours de leur vie, puis lors de leur mort explosive La génération suivante d’étoiles est née des débris de ces explosions, enrichie des éléments chimiques créés par les premières étoiles. Ce processus est toujours en cours aujourd’hui : il donne naissance à tous les éléments, de l’hélium (deux protons par atome) jusqu’au fer (26 protons). À l’autre bout du spectre, les éléments les plus lourds comme le tennesse (117 protons) ne sont pas créés par la nature – ce sont les physiciens qui les forcent à exister dans les accélérateurs de particules, pendant seulement quelques millièmes de seconde, avant qu’ils ne se désintègrent Il y a plusieurs dizaines d’années, des théoriciens ont émis l’hypothèse qu’environ la moitié des éléments plus lourds que le fer étaient produits par un processus appelé « capture neutronique rapide » ou « processus r » (pour « rapide »). Le reste proviendrait de la capture lente des neutrons, ou « processus s » (pour slow, « lent » en anglais) : une séquence de réactions relativement bien comprise qui se produit dans les étoiles de faible masse et de longue durée de vie