L’origine cosmique des terres rares

Les « terres rares » sont ce groupe d’éléments chimiques aux noms exotiques dont dépend l’univers technologique que nous avons généré sur Terre. Jusqu’à présent, nous ne pouvions pas préciser où ni comment ils étaient produits. Pero al fin acabamos de ver su origen: el colosal momento estelar que da lugar a elementos más pesados que el hierro, que son hoy el centro de la geopolítica, del desarrollo tecnológico, de las energías renovables, del teléfono móvil, del ordenador desde el que j’écris.

Plus précisément, nous avons assisté à la naissance cosmique des lanthanides suite à l’évolution de la kilonova associée au GRB 230307A.

Notre atelier, récemment publié dans le magazine Natureà laquelle nous avons participé des chercheurs de Institut d’Astrophysique d’Andalousie (IAA-CSIC) et du Université de Málaga (UMA)a confirmé le rôle fondamental des kilonovae dans la production d’éléments lourds dans l’univers.

Avant la réunion

Las kilonova Ce sont des événements astronomiques extraordinairement énergétiques et explosifs. Ils résultent de la fusion de deux étoiles à neutronssoit d’une étoile à neutrons avec un trou noir, soit d’une étoile à neutrons avec une étoile nain blanc (le cadavre d’une étoile semblable au Soleil).

Les deux étoiles à neutrons qui ont fusionné pour former GRB 230307A étaient, à l’origine, deux étoiles massives normales qui formaient un système binaire dans leur galaxie spirale. Mais ils ont été éjectés et ont parcouru séparément une distance d’environ 120 000 années-lumière, soit environ le diamètre de notre galaxie, la Voie lactée.

Malgré la distance, les deux étoiles étaient liées gravitationnellement. Ainsi, lorsque l’une des deux a explosé en supernova et est devenue une étoile à neutrons, l’autre étoile a fait de même, avant de finalement fusionner plusieurs centaines de millions d’années plus tard.

Ces phénomènes rares se caractérisent par l’émission d’une rafale intense et brève de rayons gamma (GRB), qui dure généralement moins de deux secondes. L’émission laisse derrière elle une traînée lumineuse qui, depuis la Terre, est observée comme un objet ponctuel qui s’efface et passe (dans l’optique) du bleu au rouge après plusieurs semaines.

Le moment des lanthanides

Les étoiles agissent comme des usines d’éléments chimiques tels que l’hydrogène et l’hélium. La nucléosynthèse stellaire (ce qui est cuit à l’intérieur d’une étoile, comme le Soleil) explique la formation des éléments du tableau périodique qui sont plus légers que le fer (à part lui-même). Mais ce n’est que dans les phénomènes explosifs et extrêmement énergétiques, tels que les supernovae ou les kilonovae, que les conditions nécessaires sont générées pour la création de bon nombre des éléments les plus lourds du tableau périodique.

Lorsque les deux objets compacts à l’origine de la kilonova fusionnent, des éléments plus lourds que le fer sont synthétisés. Et les jours suivants, son désintégration radioactive.

Deux mois après l’explosion

À quelques exceptions près, il n’est pas courant d’observer l’évolution d’une kilonova pendant plus de quelques jours. Il faut des semaines et des mois pour révéler quels métaux sont forgés lors de l’explosion, et jusqu’à présent, nous n’avons jamais eu l’occasion d’observer une kilonova aussi longtemps.

Grâce à divers observatoires et télescopes très sensibles, comme le Le télescope spatial Hubble ou la Télescope spatial James Webb, entre autres, nous avons pu réaliser un suivi exhaustif de la kilonova associée au GRB 230307A à différentes longueurs d’onde. Cela nous a permis de caractériser son évolution même jusqu’à deux mois après l’explosion. Pour la première fois, nous avons pu voir sous nos yeux des métaux plus lourds que le fer et l’argent nouvellement fabriqués.

L’analyse détaillée de ces observations pointe vers la production d’éléments lourds dans les matériaux éjectés après la fusion.

Les terres rares

La présence de lanthanides, mieux connus sous le nom de « terres rares », éléments chimiques fondamentaux dans une grande partie de notre technologie actuelle, se démarque particulièrement.

L’émission observée dans l’infrarouge moyen du GRB 230307A confirme la formation d’éléments plus lourds que le fer grâce à un mécanisme rapide de capture de neutrons, appelé processusqui se produit dans des conditions de température et de densité élevées.

Ce processus a également été étudié d’un point de vue théorique et expérimental par d’autres groupes espagnols avec des avancées notables.

Collaboration internationale

L’article publié dans Nature est dirigé par Yuhan Yangchercheur postdoctoral à Département de Physique de l’Université de Rome Tour Vergataoui Éléonora Troyde la même université.

L’une des tâches de notre équipe en Espagne a été d’utiliser les données optiques apportées à l’étude acquises grâce au télescope SOAR4,1 mètres de diamètre situé au Chili.

L’étude confirme, sans aucun doute, le rôle fondamental que jouent les kilonovae dans la création d’éléments lourds dans l’univers, qui sont aujourd’hui appliqués dans de nombreux domaines technologiques. Nous avons confirmé l’origine cosmique des lanthanides.