Vue d'artiste d'un disque d'accrétion de trou noir. (Mark Garlick/Photothèque scientifique/Getty Images) L'Univers peut avoir plus de façons de forger des éléments lourds que nous ne le pensions.
La création de métaux tels que l'or, l'argent, le thorium et l'uranium nécessite des conditions énergétiques, telles qu'une explosion de supernova ou une collision entre des étoiles à neutrons.
Cependant, un nouvel article montre que ces éléments pourraient se former dans le chaos tourbillonnant qui fait sonner un nouveau-né actif trou noir car il avale la poussière et le gaz de l'espace qui l'entoure.
Dans ces environnements extrêmes, le taux d'émission élevé de neutrinos devrait faciliter la conversion des protons en neutrons – entraînant un excès de ces derniers, nécessaires au processus de production des éléments lourds.
«Dans notre étude, nous avons systématiquement étudié pour la première fois les taux de conversion des neutrons et des protons pour un grand nombre de configurations de disques au moyen de simulations informatiques élaborées, et nous avons constaté que les disques sont très riches en neutrons tant que certaines conditions sont respectées. rencontré,' a déclaré l'astrophysicien Oliver Just du Centre GSI Helmholtz pour la recherche sur les ions lourds en Allemagne.
Au début, après la Big Bang , il n'y avait pas beaucoup d'éléments flottants. Jusqu'à ce que les étoiles naissent et commencent à briser les noyaux atomiques dans leurs noyaux, l'Univers était une soupe composée principalement d'hydrogène et d'hélium.
Stellaire la fusion nucléaire a imprégné le cosmos d'éléments plus lourds, du carbone jusqu'au fer pour les étoiles les plus massives, ensemencés dans l'espace lorsque l'étoile meurt.
Mais le fer est là où la fusion du noyau rencontre un problème. La chaleur et l'énergie nécessaires pour produire du fer par fusion dépassent l'énergie générée par le processus, provoquant une chute de la température centrale, ce qui entraîne la mort de l'étoile dans un kaboom spectaculaire - la supernova.
C'est ce kaboom spectaculaire (et lekabooms d'étoiles à neutrons en collision) où les éléments les plus lourds sont fusionnés. Les explosions sont si énergiques que les atomes, en se heurtant avec force, peuvent capturer les neutrons les uns des autres.
C'est ce qu'on appelle le processus de capture rapide de neutrons, ou processus r; cela doit se produire très rapidement, afin que la désintégration radioactive n'ait pas le temps de se produire avant que davantage de neutrons ne soient ajoutés au noyau.
Il n'est pas clair s'il existe d'autres scénarios dans lesquels le processus r peut avoir lieu, mais le nouveau-né trous noirs sont un candidat prometteur. À savoir, lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent et que leur masse combinée est suffisante pour faire basculer l'objet nouvellement formé dans la catégorie des trous noirs.
Les collapsars sont une autre possibilité : l'effondrement gravitationnel du noyau d'une étoile massive dans un trou noir de masse stellaire.
Dans les deux cas, on pense que le bébé trou noir est entouré d'un anneau de matière dense et chaud, tourbillonnant autour du trou noir et s'y alimentant, comme de l'eau dans un égout. Dans ces environnements, les neutrinos sont émis en abondance, et les astronomes ont longtemps émis l'hypothèse que la nucléosynthèse par capture de r pourrait en résulter.
Just et ses collègues ont entrepris une vaste série de simulations pour déterminer si c'est effectivement le cas. Ils ont fait varier la masse et le spin du trou noir, ainsi que la masse du matériau qui l'entoure, ainsi que l'effet de différents paramètres sur les neutrinos. Ils ont découvert que, si les conditions sont idéales, la nucléosynthèse du processus r peut avoir lieu dans ces environnements.
'Le facteur décisif est la masse totale du disque', Je viens de dire .
«Plus le disque est massif, plus les neutrons sont formés à partir de protons par capture d'électrons sous émission de neutrinos, et sont disponibles pour la synthèse d'éléments lourds au moyen du processus r.
«Cependant, si la masse du disque est trop élevée, la réaction inverse joue un rôle accru de sorte que davantage de neutrinos sont recapturés par les neutrons avant qu'ils ne quittent le disque. Ces neutrons sont ensuite reconvertis en protons, ce qui entrave le processus r.
Ce point idéal dans lequel les éléments lourds sont produits le plus prolifiquement est une masse de disque comprise entre 1 et 10 % de la masse du Soleil. Cela signifie que étoile à neutrons les fusions avec des masses de disques dans cette gamme pourraient être des usines d'éléments lourds. Comme on ne sait pas à quel point les disques de collapsar sont courants, le jury est toujours ouvert pour les collapsars, ont déclaré les chercheurs.
La prochaine étape consistera à déterminer comment la lumière émise par une collision d'étoiles à neutrons peut être utilisée pour calculer la masse de son disque d'accrétion.
« Ces données sont actuellement insuffisantes. Mais avec la prochaine génération d'accélérateurs, tels que le Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), il sera possible de les mesurer avec une précision sans précédent à l'avenir», a déclaré l'astrophysicien Andreas Bauswein du Centre GSI Helmholtz pour la recherche sur les ions lourds.
«L'interaction bien coordonnée de modèles théoriques, d'expériences et d'observations astronomiques nous permettra, dans les années à venir, aux chercheurs de tester les fusions d'étoiles à neutrons comme origine des éléments du processus r.»
La recherche a été publiée dans le Avis mensuels de la Royal Astronomical Society .