Après sa « naissance » lors du Big Bang, l’univers était principalement constitué d’atomes d’hydrogène et de quelques atomes d’hélium. Ce sont les éléments les plus légers du tableau périodique. Plus ou moins tous les éléments plus lourds que l’hélium ont été produits au cours des 13,8 milliards d’années qui se sont écoulées entre le Big Bang et nos jours.
Les étoiles ont produit bon nombre de ces éléments plus lourds grâce au processus de fusion nucléaire. Cependant, cela ne fait que rendre les éléments aussi lourds que le fer. La création d’éléments plus lourds consommerait de l’énergie au lieu de la libérer.
Pour expliquer aujourd’hui la présence de ces éléments plus lourds, il faut trouver les phénomènes qui peuvent les produire. Un type d’événement qui convient parfaitement est un sursaut gamma (GRB)— la classe d’explosion la plus puissante de l’univers. Celles-ci peuvent éclater avec un quintillion (10 suivi de 18 zéros) de fois la luminosité de notre soleil, et on pense qu’elles sont causées par plusieurs types d’événements.
Les GRB peuvent être subdivisés en deux catégories : les rafales longues et les rafales courtes. Les GRB longs sont associés à la mort d’étoiles massives et à rotation rapide. Selon cette théorie, la rotation rapide rayonne le matériau éjecté lors de l’effondrement d’une étoile massive en jets étroits qui se déplacent à des vitesses extrêmement rapides.
Les courtes rafales ne durent que quelques secondes. On pense qu’ils sont causés par la collision de deux étoiles à neutrons, des étoiles « mortes » compactes et denses. En août 2017, un événement important a contribué à étayer cette théorie. Ligo et Viergedeux détecteurs d’ondes gravitationnelles aux États-Unis, ont découvert un signal qui semblait provenir de deux étoiles à neutrons se déplacer en cas de collision.
Quelques secondes plus tard, un court sursaut gamma, connu sous le nom de GRB 100817A, a été détecté venant de la même direction dans le ciel. Pendant quelques semaines, pratiquement tous les télescopes de la planète ont pointé vers cet événement dans un effort sans précédent pour en étudier les conséquences.
Les observations ont révélé un kilonova à l’emplacement du GRB 170817A. Une kilonova est une cousine plus faible d’une explosion de supernova. Plus intéressant encore, il existait des preuves selon lesquelles de nombreux éléments lourds ont été produits lors de l’explosion. Les auteurs d’une étude en Nature qui ont analysé l’explosion ont montré que cette kilonova semblait produire deux catégories différentes de débris, ou éjectas. L’un était composé principalement d’éléments légers, tandis qu’un autre était composé d’éléments lourds.
Nous avons déjà mentionné que la fission nucléaire ne peut produire que des éléments aussi lourds que le fer dans le tableau périodique. Mais il existe un autre processus qui pourrait expliquer comment la kilonova a pu en produire des encore plus lourdes.
Processus rapide de capture de neutrons, ou processus r, est l’endroit où les noyaux (ou noyaux) d’éléments plus lourds tels que le fer capturent de nombreuses particules de neutrons en peu de temps. Leur masse augmente alors rapidement, produisant des éléments beaucoup plus lourds. Toutefois, pour que le processus R fonctionne, vous avez besoin de conditions adéquates : une densité élevée, une température élevée et un grand nombre de neutrons libres disponibles. Les sursauts gamma fournissent ces conditions nécessaires.
Cependant, les fusions de deux étoiles à neutrons, comme celle qui a provoqué la kilonova GRB 170817A, sont des événements très rares. En fait, ils pourraient être si rares qu’ils constitueraient une source improbable d’éléments lourds abondants dans l’univers. Mais qu’en est-il des GRB longs ?
Une étude récente a étudié en particulier un long sursaut gamma, GRB 221009. Cela a été surnommé le BATEAU– le plus brillant de tous les temps. Ce GRB a été capté sous la forme d’une impulsion de rayonnement intense balayant le système solaire le 9 octobre 2022.
Le BOAT a déclenché une campagne d’observation astronomique similaire à celle du kilonova. Ce GRB était 10 fois plus énergique que le précédent détenteur du record, et si proche de nous qu’il influence sur l’atmosphère terrestre était mesurable sur le terrain et comparable à une tempête solaire majeure.
Parmi les télescopes étudiant les conséquences du BOAT figurait le télescope spatial James Webb (JWST). Il a observé le GRB environ six mois après son explosion, afin de ne pas être aveuglé par la rémanence de l’explosion initiale. Les données recueillies par JWST ont montré que, malgré l’extraordinaire luminosité de l’événement, celui-ci était dû à une explosion de supernova tout simplement moyenne.
En fait, des observations antérieures d’autres GRB longs ont indiqué qu’il n’y avait aucune corrélation entre la luminosité du GRB et la taille de l’explosion de supernova qui lui est associée. Le BATEAU ne semble pas faire exception.
L’équipe du JWST a également déduit le nombre d’éléments lourds produits lors de l’explosion du BOAT. Ils n’ont trouvé aucune indication d’éléments produits par le processus r. Ceci est surprenant car, en théorie, on pense que la luminosité d’un long GRB est associée aux conditions qui règnent dans son noyau, très probablement un trou noir. Pour des événements très brillants – en particulier un événement aussi extrême que le BOAT – les conditions devraient être réunies pour que le processus r se produise.
Ces résultats suggèrent que les sursauts gamma ne sont peut-être pas la source cruciale espérée des éléments lourds de l’univers. Au lieu de cela, il doit y avoir une ou plusieurs sources encore disponibles.
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