Qu'est-ce qu'une kilonova et comment elle forge de l'or dans l'espace ?

L'alchimie la plus violente de l'univers

Chaque bijou en or, chaque bague en platine et chaque gramme d'uranium sur Terre partagent une origine commune : une collision cataclysmique entre deux étoiles mortes il y a des milliards d'années. Ces événements, appelés kilonovae, figurent parmi les explosions les plus énergétiques de l'univers – et les scientifiques n'ont confirmé leur existence que récemment.

Qu'est-ce qu'une étoile à neutrons ?

Pour comprendre une kilonova, il faut d'abord comprendre ce que sont les étoiles à neutrons. Lorsqu'une étoile massive – environ 8 à 20 fois la masse de notre Soleil – épuise son combustible nucléaire, elle s'effondre sous sa propre gravité lors d'une explosion de supernova. Ce qui reste est une étoile à neutrons extraordinairement dense : un objet d'environ 20 kilomètres de diamètre contenant pourtant plus de masse que le Soleil, comprimé de telle sorte que les protons et les électrons sont écrasés ensemble pour former des neutrons.

Les étoiles à neutrons sont les objets les plus denses de l'univers qui puissent être directement observés. Une seule cuillère à café de matière d'étoile à neutrons pèserait environ un milliard de tonnes sur Terre. Certaines étoiles à neutrons existent par paires binaires, enfermées dans une étreinte gravitationnelle qui se resserre lentement sur des millions d'années – jusqu'à ce que les deux finissent par entrer en collision.

La collision et le flash

Lorsque deux étoiles à neutrons fusionnent, elles libèrent une énorme bouffée d'énergie en quelques millisecondes. La collision génère des ondes gravitationnelles – des ondulations dans le tissu de l'espace-temps – ainsi qu'un bref sursaut gamma, l'un des événements électromagnétiques les plus brillants de l'univers observable.

Ce qui suit est la kilonova elle-même. La matière éjectée par la fusion – voyageant à environ 20 % de la vitesse de la lumière – subit un processus appelé capture rapide de neutrons, ou le processus r. Les noyaux atomiques absorbent les neutrons si rapidement qu'ils ne peuvent pas se désintégrer avant d'en capturer davantage, s'accumulant en isotopes de plus en plus lourds et instables. Ceux-ci finissent par se désintégrer en éléments stables et lourds : or, platine, uranium et des dizaines d'autres. Selon les données d'observation publiées dans des revues à comité de lecture, une seule kilonova peut produire plus de 1 000 fois la masse de la Terre en métaux lourds.

Le nuage de débris incandescent s'estompe au fil des jours et des semaines, passant du bleu au rouge à mesure que différents éléments se désintègrent – une empreinte spectrale que les astronomes peuvent lire depuis la Terre.

La découverte qui a changé l'astrophysique

Pendant des décennies, les kilonovae étaient des prédictions théoriques. Cela a changé le 17 août 2017, lorsque les détecteurs d'ondes gravitationnelles LIGO et Virgo ont capté un signal désigné GW170817, provenant à 140 millions d'années-lumière dans la galaxie NGC 4993. En quelques heures, 70 observatoires sur sept continents et dans l'espace se sont tournés vers la même portion de ciel – et ont trouvé la kilonova AT 2017gfo brillant précisément là où la fusion s'était produite.

C'était la première fois que les scientifiques observaient le même événement cosmique à la fois en ondes gravitationnelles et en lumière, inaugurant ce que les astronomes appellent l'astronomie multi-messagers. La NASA et l'Observatoire européen austral ont confirmé que les signatures spectrales correspondaient aux prédictions théoriques de la nucléosynthèse du processus r. Le magazine Science l'a désignée comme la percée de l'année 2017.

D'où viennent les éléments les plus lourds de l'univers

La découverte a mis fin à un débat vieux de plusieurs décennies. Les scientifiques savaient depuis longtemps que les éléments jusqu'au fer sont forgés à l'intérieur des étoiles ordinaires, et que les supernovae les dispersent dans l'espace. Mais l'origine des éléments plus lourds que le fer – environ la moitié du tableau périodique – était incertaine. Les kilonovae sont désormais considérées comme la source dominante.

Plus récemment, le télescope spatial James Webb a détecté des preuves d'or frais dans une kilonova liée à un sursaut gamma lointain, selon Space.com, renforçant ainsi le tableau. Comme l'a noté Scientific American, chaque atome d'or que vous avez jamais touché est né d'une catastrophe cosmique et a été dispersé à travers les galaxies avant de finalement se condenser dans notre système solaire.

Ce que les scientifiques veulent encore savoir

Des questions clés restent ouvertes. Les astronomes veulent comprendre exactement quelle quantité de chaque élément lourd une kilonova typique produit, si certains événements sont beaucoup plus prolifiques que d'autres, et si les fusions trou noir-étoile à neutrons génèrent également des kilonovae. Chaque nouvelle détection d'ondes gravitationnelles offre une chance d'affiner les réponses – et de retracer la recette cosmique qui a finalement construit les atomes de notre corps et de notre civilisation.