Le 3 juin, à 3, 9 milliards d'années-lumière de distance, deux étoiles à neutrons incroyablement denses - des corps représentant à peu près une fois et demie la masse du soleil mais juste la taille de simples villes - sont entrées en collision. Les scientifiques qui étudient cet événement disent qu'il résout un mystère persistant concernant la formation d'éléments dans notre univers.
«C’est un type d’explosion très rapide, catastrophique et extrêmement énergique», explique Edo Berger, astronome au Centre d’astrophysique Harvard-Smithsonian. La collision massive a libéré un puissant jet de rayons gamma à travers l'univers. Le flash, qui n'a duré que deux dixièmes de seconde, a été capté par le satellite Swift de la NASA et a envoyé les astronomes se démener pour collecter des données.
Au cours des prochains jours, des télescopes au Chili et le télescope spatial Hubble ont tourné leur attention vers cette région de l'espace. Aujourd'hui, Berger et ses collègues ont annoncé lors d'une conférence de presse à Cambridge (Massachusetts) que leur analyse révélait que les collisions d'étoiles à neutrons sont responsables de la formation de pratiquement tous les éléments lourds de l'univers - une liste comprenant de l'or, du mercure, du plomb, du platine et plus.
«Cette question de l'origine d'éléments tels que l'or existe depuis longtemps», déclare Berger. Bien que de nombreux scientifiques soutiennent depuis longtemps que les explosions de supernova sont à l'origine de ce phénomène, il explique que son équipe, composée de Wen-fai Fong et de Ryan Chornock du département d'astronomie de Harvard, a la preuve que les supernovas ne sont pas nécessaires. Ces collisions d'étoiles à neutrons produisent tous les éléments plus lourds que le fer, explique-t-il, "et ils le font assez efficacement pour pouvoir prendre en compte tout l'or produit dans l'univers."
De telles collisions se produisent lorsque les deux étoiles d’un système binaire explosent séparément en tant que supernovas, puis s’effondrent en elles-mêmes, laissant derrière elles une paire d’étoiles à neutrons étroitement liées. Au fur et à mesure qu’elles s’entourent, les étoiles sont progressivement rapprochées par des forces de gravitation jusqu’à leur collision.
«Ils sont extrêmement denses - essentiellement des balles qui se battent à environ 10% de la vitesse de la lumière», explique Berger. La collision qui en résulte réunit tellement de masse en un endroit qu’elle s’effondre, provoquant la formation d’un trou noir. Une petite quantité de matière, cependant, est projetée vers l'extérieur et est finalement incorporée à la prochaine génération d'étoiles et de planètes ailleurs dans la galaxie environnante. Une observation attentive de cette dernière collision d’étoiles à neutrons a révélé le contenu de cette matière éjectée.
Lorsque le trou noir s'est formé, dit Berger, il a émis une sursis gamma codée 130603B (GRB). En quelques minutes, des instruments au Chili ont recherché d’autres preuves de la collision et ont découvert un bref "éclaircissement" de lumière visible, généré par les particules émises par l’explosion qui se propagent dans l’environnement environnant. Cela fournissait aux astronomes la localisation exacte et la distance de l'événement, et le fait que la collision se produisît relativement près - du moins en termes astronomiques - laissait espérer qu'il serait possible de collecter de nouvelles sortes de données auparavant indisponibles.
Le 12 juin, le télescope Hubble, formé à cet endroit, a détecté une émission distincte de lumière infrarouge, signal distinct de la première explosion. Selon M. Berger, la signature infrarouge résultait de la désintégration radioactive d'éléments lourds exotiques (tels que l'uranium et le plutonium) formés lors de la collision et éjectés vers l'extérieur. En raison de la manière dont se forment les éléments lourds, l’or doit également s’être formé. «La quantité totale de ces éléments lourds produite représentait environ 1% de la masse du soleil», note-t-il. "L'or, dans cette distribution, est d'environ 10 parties par million, ce qui équivaut à environ dix fois la masse de la lune en or seulement."
Comme l'équipe sait combien de fois ces collisions se produisent et peut maintenant déduire approximativement la quantité de matériau générée à chaque événement, elle peut comparer la quantité totale d'éléments lourds produits par les collisions d'étoiles à neutrons avec la quantité connue dans l'univers. La conclusion de l'équipe, qui a également été publiée aujourd'hui dans The Astrophysical Journal Letters, est que ces événements sont une explication suffisante de tous nos éléments lourds, y compris de l'or. Une fois créés dans ce type de collisions et éjectés vers l'extérieur, les éléments lourds sont finalement incorporés dans la formation des futures étoiles et planètes. Ce qui signifie que tout l'or sur Terre, même l'or de votre alliance, provient probablement de la collision de deux étoiles lointaines.
La nouvelle découverte résout également une question connexe: savoir si ce type particulier d’émission de rayons gamma (appelé sursaut «de courte durée») peut être définitivement lié aux collisions de deux étoiles à neutrons. «Nous avions rassemblé de nombreuses preuves circonstancielles suggérant qu'elles venaient de la collision de deux étoiles à neutrons, mais il nous manquait vraiment une signature claire de« pistolet fumant »», explique Berger. "Cet événement fournit, pour la première fois, cette" arme à feu "."
Au cours des prochaines années, l’équipe Harvard-Smithsonian et d’autres équipes continueront à rechercher des collisions d’étoiles à neutrons afin de recueillir et d’analyser de nouvelles données. Déjà, cependant, un événement aussi rare (dans la Voie Lactée, ils se produisent environ tous les 100 000 ans) se produit à une distance suffisamment proche pour que ce type d'observations soit assez fortuit. «J'ai passé les dix dernières années de ma vie à essayer de résoudre le problème des sursauts gamma, à rassembler minutieusement des preuves et à attendre ce grand événement», déclare Berger. «C’est tellement satisfaisant d’obtenir enfin cette preuve qui puisse nous dire ce qui se passe de manière plus définitive.»
