À la périphérie de notre soleil, dans la galaxie de la Voie lactée, se trouve une étoile relativement brillante dans laquelle les astronomes ont identifié la plus large gamme d'éléments pouvant être présents dans une étoile en dehors de notre système solaire. L'étude, dirigée par l'astronome de l'Université du Michigan, Jan Roederer, a découvert 65 éléments dans l'étoile HD 222925. Quarante-deux des éléments découverts sont des éléments lourds, qui se trouvent au bas du tableau périodique. L'identification de ces éléments dans une seule étoile aidera les astronomes à comprendre le processus dit de capture rapide des neutrons, ou l'une des principales façons dont les éléments lourds sont créés dans l'univers.
"Pour autant que je sache, il s'agit d'un record pour tout objet en dehors de notre système solaire. Ce qui rend cette étoile si unique, c'est la proportion relative très élevée d'éléments répertoriés dans les deux tiers inférieurs du tableau périodique. Nous avons même découvert de l'or", a déclaré Roederer. "Ces éléments ont été obtenus à la suite du processus de capture de neutrons rapides. C'est ce que nous essayons d'étudier : la physique pour comprendre comment, où et quand ces éléments ont été produits."
Le processus, également appelé "processus r", commence par la présence d'éléments légers tels que le fer. Puis, rapidement – environ une seconde – des neutrons s'ajoutent aux noyaux des éléments légers. Le résultat est la formation d'éléments plus lourds tels que le sélénium, l'argent, le tellure, le platine, l'or et le thorium - du genre trouvé dans HD 222925, qui, selon les astronomes, sont rarement trouvés dans les étoiles. "Pour libérer des neutrons et les ajouter aux noyaux des atomes, vous avez besoin de beaucoup de neutrons libres et d'une énergie très élevée", a déclaré Roederer. "Il n'y a pas beaucoup d'environnements où cela peut arriver."
Un tel environnement a été confirmé : la fusion d'étoiles à neutrons. Les étoiles à neutrons sont les noyaux effondrés d'étoiles supergéantes, qui sont les objets célestes connus les plus petits et les plus denses. La collision de paires d'étoiles à neutrons provoque des ondes gravitationnelles et, en 2017, les astronomes ont détecté pour la première fois des ondes gravitationnelles provenant de la fusion d'étoiles à neutrons. Une autre façon dont le processus r peut se produire est la mort explosive d'étoiles puissantes. Les éléments que Roederer et son équipe ont identifiés dans HD 222925 se sont formés soit dans une supernova massive, soit dans la fusion d'étoiles à neutrons au tout début de l'univers.
Cette étoile peut être utilisée comme indicateur de ce qui pourrait se produire à la suite de l'un de ces événements. Tout modèle développé à l'avenir qui démontre comment le processus r ou la nature produit des éléments dans les deux tiers inférieurs du tableau périodique devrait avoir la même signature que HD 222925, dit Roederer.
Fait important, les astronomes ont utilisé l'instrument du télescope spatial Hubble, qui peut collecter des spectres ultraviolets. Cet instrument a joué un rôle clé en permettant aux astronomes de collecter la lumière dans la partie ultraviolette du spectre, la lumière faible qui provient d'une étoile froide comme HD 222925. Les astronomes ont également utilisé l'un des télescopes Magellan - un consortium avec lequel UM s'associe - à l'observatoire de Las Vegas -Campanas au Chili pour collecter la lumière de HD 222925 dans la partie optique du spectre lumineux. Ces spectres codent les "empreintes chimiques" des éléments à l'intérieur des étoiles, et la lecture de ces spectres permet aux astronomes de déterminer non seulement les éléments déjà présents dans l'étoile, mais aussi la quantité de chaque élément.
De nombreux co-auteurs de l'étude font partie d'un groupe appelé R-Process Alliance, un groupe d'astrophysiciens travaillant à résoudre de grandes questions liées au processus r. Ce projet représente l'un des objectifs clés du groupe : déterminer quels éléments et en quelles quantités ont été produits dans le r-process avec un niveau de détail sans précédent.
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