Le 9 novembre 2024, des astronomes ont rapporté les premières observations détaillées de la formation d'éléments lourds résultant d'une collision d'étoiles à neutrons, située à 130 millions d'années-lumière de la Terre. Cet événement a conduit à une explosion colossale, créant le plus petit trou noir jamais observé et fournissant un compte rendu chronologique de la formation d'atomes lourds.
Les étoiles à neutrons sont des vestiges d'étoiles massives (7 à 19 masses solaires) qui s'effondrent après avoir épuisé leur combustible nucléaire. Leurs couches externes sont expulsées lors d'explosions de supernova, laissant derrière elles un noyau hyperdense contenant environ deux masses solaires dans une sphère d'environ 20 kilomètres de diamètre. L'effondrement gravitationnel force les électrons et les protons à se combiner, formant des neutrons.
Certaines étoiles à neutrons existent dans des systèmes binaires, orbitant soit autour d'une étoile normale, soit d'une autre étoile à neutrons. Si cette dernière survit à l'explosion en supernova de la première, elles génèrent des ondes gravitationnelles en raison de leurs densités extrêmes à mesure qu'elles se rapprochent. Finalement, leur collision produit une explosion de kilonova, censée créer des éléments lourds comme l'or et le platine.
Ce processus n'avait pas été caractérisé en détail jusqu'à présent. Des chercheurs du Cosmic DAWN Center de l'Institut Niels Bohr, à l'Université de Copenhague, ont combiné les mesures de lumière de la kilonova AT2017gfo en utilisant plusieurs télescopes, marquant la première observation de la formation de ces éléments. Le coauteur Rasmus Damgaard a déclaré : "Nous pouvons maintenant voir le moment où les noyaux atomiques et les électrons s'unissent dans cette luminescence résiduelle." Il a ajouté : "Pour la première fois, nous assistons à la création d'atomes et mesurons la température de la matière."
L'équipe a analysé la lumière de AT2017gfo, qui résulte de la collision catastrophique de deux étoiles à neutrons, produisant un petit trou noir et éjectant de la matière riche en neutrons dans une sphère de plasma s'étendant à une vitesse proche de celle de la lumière. La luminosité de la kilonova équivalait à celle de centaines de millions de soleils en raison de l'immense radiation provenant de la désintégration radioactive des éléments impliqués.
Dans les instants qui ont suivi la collision, la matière éjectée a atteint des températures de plusieurs milliards de degrés, mille fois plus chaudes que le cœur du Soleil et comparables aux conditions de l'univers une seconde après le Big Bang. Ces conditions extrêmes ont provoqué le détachement des électrons des noyaux atomiques, formant un plasma ionisé en mouvement perpétuel.
Au fil du temps, la matière s'est refroidie, semblable à l'univers après le Big Bang. Environ 370 000 ans après le Big Bang, la matière s'était suffisamment refroidie pour que les électrons puissent se lier aux noyaux atomiques, formant les premiers atomes. Un processus similaire de capture rapide de neutrons se produit lors d'une explosion de kilonova, créant des éléments plus lourds que le fer.
Albert Sneppen, auteur principal de l'étude, a noté que le développement de la kilonova est si rapide qu'aucun télescope unique ne peut capturer toute son histoire en raison de la rotation de la Terre. Par conséquent, l'équipe a combiné les mesures de télescopes en Australie, en Afrique du Sud et du télescope spatial Hubble.
Ce travail collaboratif a fourni une chronologie de la formation d'atomes lourds. Après l'explosion de la kilonova, la sphère de matière s'étend si rapidement qu'il faut plusieurs heures à la lumière pour la traverser entièrement, permettant aux chercheurs de retracer la chronologie de l'explosion depuis le bord de la sphère. Dans la partie la plus proche de la Terre, les électrons sont déjà attachés aux noyaux atomiques, tandis que le trou noir est encore en train de se former à l'autre extrémité.
Damgaard a déclaré : "C'est comme observer trois radiations du fond diffus cosmologique qui nous entourent, mais ici nous pouvons tout voir de l'extérieur. Nous assistons avant, pendant et après le moment de la naissance des atomes." Les chercheurs ont pu observer la formation d'éléments lourds tels que le strontium et l'yttrium et soupçonnent que d'autres éléments lourds non répertoriés auraient également pu se former.