Les collisions d’étoiles à neutrons sont une « mine d’or » pour les éléments lourds – la principale source cosmique d’or et de platine.

De nouvelles recherches suggèrent que les étoiles à neutrons binaires sont une source cosmique potentielle pour l’or, le platine et d’autres métaux lourds que nous voyons aujourd’hui. Crédit : National Science Foundation/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet, édité par MIT News

Les fusions entre deux étoiles à neutrons ont produit plus d’éléments lourds au cours des 2,5 derniers milliards d’années que les fusions entre les étoiles à neutrons et les trous noirs.

La plupart des éléments plus légers que le fer sont forgés dans le noyau des étoiles. Le centre blanc et chaud de l’étoile alimente la fusion des protons, les comprimant ensemble pour former des éléments de plus en plus lourds. Mais au-delà du fer, les scientifiques se sont demandé ce qui pourrait conduire à l’apparition de l’or, du platine et du reste des éléments lourds de l’univers, dont la formation nécessite plus d’énergie qu’une étoile ne peut en rassembler.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de Avec Et l’Université du New Hampshire a découvert que parmi deux sources longtemps suspectées de métaux lourds, l’une est plus une mine d’or que l’autre.

L’étude a été publiée aujourd’hui (25 octobre 2021) dans Lettres de revues astrophysiques, les rapports indiquent qu’au cours des 2,5 derniers milliards d’années, davantage de métaux lourds ont été produits dans un système binaire étoile à neutrons Les fusions, ou collisions entre deux étoiles à neutrons, sont des processus de fusion entre une étoile à neutrons et Trou noir.

L’étude est la première à comparer les deux types de fusion en termes de production de métaux lourds et suggère que les étoiles à neutrons binaires sont une source cosmique potentielle d’or, de platine et d’autres métaux lourds que nous voyons aujourd’hui. Les résultats pourraient également aider les scientifiques à déterminer la vitesse à laquelle les métaux lourds sont produits dans l’univers.

dit l’auteur principal Hsin-Yu Chen, chercheur postdoctoral à l’Institut Kavli de l’Institut d’astrophysique et de recherche spatiale du MIT.

Les co-auteurs de Chen sont Salvatore Vitale, professeur agrégé de physique au Massachusetts Institute of Technology, et François Foucart des Nations Unies.

Flash actif

Lorsque les étoiles subissent une fusion nucléaire, elles ont besoin d’énergie pour fusionner les protons et former des éléments plus lourds. Les étoiles sont efficaces pour éjecter des éléments plus légers, de l’hydrogène au fer. Cependant, l’incorporation de plus de 26 protons dans le fer devient inefficace sur le plan énergétique.

« Si vous voulez contourner le fer et construire des éléments plus lourds comme l’or et le platine, vous avez besoin d’un autre moyen de jeter des protons ensemble », explique Vitale.

Les scientifiques soupçonnent que les supernovae pourraient être la réponse. Lorsqu’une étoile massive s’effondre en une supernova, le fer en son centre peut se combiner avec des éléments plus légers lors de la chute intense pour générer des éléments plus lourds.

Cependant, en 2017, un candidat prometteur a été confirmé, sous la forme d’une fusion binaire neutron-stellaire, découverte pour la première fois par lego et Virgo, observatoires d’ondes gravitationnelles aux États-Unis et en Italie, respectivement. réactifs récupérés ondes gravitationnelles, ou ondulations à travers l’espace-temps, qui sont originaires de 130 millions d’années-lumière de la Terre, de la collision de deux étoiles à neutrons – les noyaux effondrés d’étoiles massives remplis de neutrons et sont parmi les objets les plus denses de l’univers.

La fusion cosmique a libéré un éclair de lumière, qui contenait les empreintes digitales des métaux lourds.

« Le volume d’or produit lors du processus de fusion était plusieurs fois supérieur à la masse de la Terre », explique Chen. « Cela a complètement changé la donne. Les calculs ont montré que les étoiles à neutrons binaires étaient un moyen beaucoup plus efficace de créer des éléments lourds, par rapport aux supernovae. »

Mine d’or binaire

Comment les fusions d’étoiles à neutrons se comparent-elles à la collision entre une étoile à neutrons et un trou noir, ont demandé Chen et ses collègues. Il s’agit d’un autre type de fusion qui a été découvert par LIGO et Virgo et pourrait être une usine de métaux lourds. Dans certaines conditions, les scientifiques pensent qu’un trou noir peut inactiver une étoile à neutrons afin qu’elle s’enflamme et libère des métaux lourds avant que le trou noir n’avale complètement l’étoile.

L’équipe a entrepris de déterminer la quantité d’or et d’autres métaux lourds que chaque type de fusion produirait généralement. Pour leur analyse, ils se sont concentrés sur les découvertes de LIGO et de Virgo à ce jour concernant la fusion de deux étoiles à neutrons binaires et la fusion de deux étoiles à neutrons – un trou noir.

Les chercheurs ont d’abord estimé la masse de chaque objet dans chaque fusion, ainsi que la vitesse de rotation de chaque trou noir, étant donné que si un trou noir était trop massif ou lent, il avalerait une étoile à neutrons avant qu’il n’ait eu la chance de produire de lourdes . éléments. Ils ont également déterminé la résistance de chaque étoile à neutrons aux perturbations. Plus une étoile est résistante, moins elle est susceptible de produire des éléments lourds. Ils ont également estimé la fréquence à laquelle une fusion se produit par rapport à l’autre, sur la base des observations de LIGO, Virgo et d’autres observatoires.

Enfin, l’équipe a utilisé des simulations numériques, développées par Fockart, pour calculer la quantité moyenne d’or et d’autres métaux lourds que chaque fusion produirait, compte tenu de différentes combinaisons de masse, de rotation, de degré de turbulence et de taux d’occurrence des objets.

En moyenne, les chercheurs ont découvert que les fusions binaires d’étoiles à neutrons peuvent générer deux à 100 fois plus de métaux lourds que les fusions entre étoiles à neutrons et trous noirs. On estime que les quatre fusions sur lesquelles ils fondent leur analyse se sont produites au cours des 2,5 milliards d’années écoulées. Ils ont alors conclu que durant cette période, au moins, plus d’éléments lourds étaient produits par des fusions binaires entre étoiles à neutrons que par des collisions entre étoiles à neutrons et trous noirs.

Les échelles peuvent pencher en faveur de la fusion des trous noirs entre les étoiles à neutrons si les trous noirs ont un spin élevé et de faibles masses. Cependant, les scientifiques n’ont pas encore observé ces types de trous noirs dans les deux fusions détectées jusqu’à présent.

Chen et ses collègues espèrent que lorsque LIGO et Virgo reprendront leurs observations l’année prochaine, d’autres découvertes amélioreront les estimations de l’équipe sur la vitesse à laquelle chaque fusion produit des éléments lourds. Ces taux, à leur tour, peuvent aider les scientifiques à déterminer l’âge des galaxies lointaines, en fonction de l’abondance de leurs divers éléments.

« Vous pouvez utiliser des métaux lourds de la même manière que vous utilisez du carbone pour dater les restes de dinosaures », explique Vitale. « Parce que tous ces phénomènes ont des taux intrinsèques et des rendements différents en éléments lourds, cela affectera la façon dont un horodatage est attaché à la galaxie. Ainsi, ce type d’étude peut améliorer ces analyses. »

Référence : « Contribution relative à la production de métaux lourds des fusions binaires entre étoiles à neutrons et fusions d’étoiles à neutrons et de trous noirs » par Hsin Yue-Chin, Salvator Vitale et François Foucart, 25 octobre 2021, Lettres de revues astrophysiques.
DOI : 10.3847 / 2041-8213 / ac26c6

Cette recherche a été financée en partie par Nasaet la National Science Foundation et le laboratoire LIGO.