Des astronomes découvrent une étoile “étalon-or” dans la Voie lactée

L’étude, dirigée par l’astronome Ian Roederer de l’Université du Michigan, a identifié 65 éléments dans l’étoile, HD 222925. Quarante-deux des éléments identifiés sont des éléments lourds qui sont répertoriés au bas du tableau périodique des éléments.

L’identification de ces éléments dans une seule étoile aidera les astronomes à comprendre ce qu’on appelle le “processus de capture rapide des neutrons”, ou l’un des principaux moyens par lesquels les éléments lourds de l’univers ont été créés. Leurs résultats sont affichés sur arXiv et ont été acceptés pour publication dans le Série de suppléments au journal astrophysique.

“Au meilleur de ma connaissance, c’est un record pour n’importe quel objet au-delà de notre système solaire. Et ce qui rend cette étoile si unique, c’est qu’elle a une proportion relative très élevée des éléments répertoriés dans les deux tiers inférieurs du tableau périodique. Nous avons même détecté de l’or”, a déclaré Roederer. “Ces éléments ont été fabriqués par le processus de capture rapide de neutrons. C’est vraiment la chose que nous essayons d’étudier : la physique pour comprendre comment, où et quand ces éléments ont été fabriqués.”

Le processus, également appelé “processus r”, commence par la présence d’éléments plus légers tels que le fer. Puis, rapidement – de l’ordre d’une seconde – des neutrons s’ajoutent aux noyaux des éléments plus légers. Cela crée des éléments plus lourds tels que le sélénium, l’argent, le tellure, le platine, l’or et le thorium, du genre trouvé dans HD 222925, et qui sont tous rarement détectés dans les étoiles, selon les astronomes.

“Vous avez besoin de beaucoup de neutrons libres et d’un ensemble de conditions à très haute énergie pour les libérer et les ajouter aux noyaux des atomes”, a déclaré Roederer. “Il n’y a pas beaucoup d’environnements dans lesquels cela peut se produire – deux, peut-être.”

L’un de ces environnements a été confirmé : la fusion d’étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés d’étoiles supergéantes et sont les objets célestes connus les plus petits et les plus denses. La collision de paires d’étoiles à neutrons provoque des ondes gravitationnelles et en 2017, les astronomes ont détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles provenant de la fusion d’étoiles à neutrons. Une autre façon dont le processus r pourrait se produire est après la mort explosive d’étoiles massives.

“C’est un pas en avant important : reconnaître où le processus r peut se produire. Mais c’est un pas beaucoup plus important de dire : ‘Qu’est-ce que cet événement a réellement fait ? Qu’est-ce qui a été produit là-bas ?’ dit Roederer. “C’est là que notre étude entre en jeu.”

Les éléments que Roederer et son équipe ont identifiés dans HD 222925 ont été produits soit dans une supernovae massive, soit dans une fusion d’étoiles à neutrons très tôt dans l’univers. Le matériau a été éjecté et renvoyé dans l’espace, où il s’est ensuite reformé en l’étoile que Roederer étudie aujourd’hui.

Cette étoile peut alors être utilisée comme indicateur de ce que l’un de ces événements aurait produit. Tout modèle développé à l’avenir qui démontre comment le processus r ou la nature produit des éléments sur les deux tiers inférieurs du tableau périodique doit avoir la même signature que HD 222925, dit Roederer.

Surtout, les astronomes ont utilisé un instrument sur le télescope spatial Hubble qui peut collecter des spectres ultraviolets. Cet instrument était essentiel pour permettre aux astronomes de collecter la lumière dans la partie ultraviolette du spectre lumineux – une lumière faible provenant d’une étoile froide telle que HD 222925.

Les astronomes ont également utilisé l’un des télescopes Magellan – un consortium dont UM est partenaire – à l’observatoire de Las Campanas au Chili pour collecter la lumière de HD 222925 dans la partie optique du spectre lumineux.

Ces spectres codent “l’empreinte chimique” des éléments dans les étoiles, et la lecture de ces spectres permet aux astronomes non seulement d’identifier les éléments contenus dans l’étoile, mais aussi la quantité d’un élément contenu dans l’étoile.

Anna Frebel est co-auteur de l’étude et professeur de physique au Massachusetts Institute of Technology. Elle a aidé à l’interprétation globale du modèle d’abondance d’éléments du HD 222925 et comment il informe notre compréhension de l’origine des éléments dans le cosmos.

“Nous connaissons maintenant la sortie détaillée élément par élément d’un événement de processus r qui s’est produit au début de l’univers”, a déclaré Frebel. “Tout modèle qui essaie de comprendre ce qui se passe avec le processus r doit être capable de le reproduire.”

De nombreux co-auteurs de l’étude font partie d’un groupe appelé R-Process Alliance, un groupe d’astrophysiciens dédiés à la résolution des grandes questions du processus r. Ce projet marque l’un des principaux objectifs de l’équipe : identifier quels éléments, et en quelles quantités, ont été produits dans le processus r avec un niveau de détail sans précédent.