Il existe essentiellement deux grandes classes de galaxies dans l’Univers observable. D’une part, les galaxies elliptiques pauvres en nuages de gaz et de poussières et où la formation de nouvelles étoiles est presque absente. D’autre part, les galaxies spirales, comme notre Voie lactée, qui contiennent des nurseries d’étoiles dans les bras spiraux plongés dans les disques de ces galaxies.
Les astrophysiciens nucléaires ont réussi, après la Seconde Guerre mondiale, à percer largement le secret de l’origine des noyaux des atomes en utilisant la mécanique quantique. Mais il leur a fallu résoudre un certains nombre d’énigmes, dont certaines nécessitent encore quelques travaux. On en voit justement un exemple avec un communiqué de la Nasa qui accompagne une publication dans The Astrophysical Journal Letters et que l’on peut trouver en accès libre sur arXiv.
Il y est question de deux énigmes, qui en réalité n’en font qu’une. Il y a celle que l’on pourrait appeler l’énigme des sursauts gamma « orphelins » et celle de la présence de concentrations de matière riche en noyaux d’or et de platine en dehors des galaxies, alors que la théorie de la nucléosynthèse stellaire nous dit que ces noyaux doivent être associés aux étoiles dans les galaxies et, plus précisément, à des collisions d’étoiles à neutrons. Il se produit alors, comme on l’expliquera plus en détail plus loin dans cet article, aussi bien des sursauts gamma courts que des kilonovae.
Qu’est-ce qu’une étoile à neutrons ? Quelle différence entre ces étoiles et notre Soleil ? Roland Lehoucq, astrophysicien au CEA, nous explique que les étoiles à neutrons rayonnent très peu en lumière visible, contrairement à notre Soleil. Aussi, les étoiles à neutrons ont des tailles beaucoup plus petites que celle du Soleil : une étoile à neutrons a un diamètre compris entre 10 et 15 kilomètres, contre 1,4 million de kilomètres pour le Soleil. Ce sont également des objets compacts qui contiennent une quantité importante de matière dans un volume très petit. Étudier ces étoiles permet de tester à une échelle différente les théories de physique nucléaire. © CEA Recherche
Des sursauts gamma pas orphelins !
La découverte aujourd’hui annoncée s’appuie sur des observations concernant un sursaut gamma, une source transitoire et très puissante de rayons gamma en premier lieu mais aussi de rayons x, survenue à une distance de 4,7 milliards d’années-lumière. Baptisée GRB 230906A, elle s’est produite, comme son nom le laisse deviner, le 6 septembre 2023 pour des observateurs dans le Système solaire.
En fait, ce sont d’abord les télescopes gamma Fermi et Swift qui ont alerté les astronomes de la noosphère et c’est ensuite en utilisant les observations de deux autres télescopes dans l’espace, Chandra pour les rayons X et Hubble dans le visible et autour du visible, que la position précise sur la voûte céleste de GRB 230906A a été déterminée.
Les astronomes ont alors compris avec stupeur que le sursaut gamma court était situé dans une galaxie naine, elle-même immergée dans un courant de gaz et d’étoiles de quelque 600 000 années-lumière de long – courant lui-même clairement produit en tant que queue de marée gravitationnelle par une collision de deux galaxies !
Deux illustrations d’artiste – l’une dans le panneau principal et l’autre en bas à gauche – représentent ce que les astronomes pensent être l’événement connu sous le nom de GRB 230906A. Les données de Chandra, présentées dans l’encart en haut à gauche de l’illustration, ont permis aux chercheurs de localiser le GRB. La minuscule galaxie qui a accueilli cette collision d’étoiles à neutrons est située à environ 4,7 milliards d’années-lumière, au sein d’un courant de gaz qui s’étend sur quelque 600 000 années-lumière. (Pour information, notre galaxie, la Voie lactée, mesure environ 100 000 années-lumière de diamètre.) Ce courant s’est probablement formé lors de la collision d’un groupe de galaxies il y a des centaines de millions d’années. Cet événement a arraché du gaz et de la poussière aux galaxies et les a projetés dans l’espace intergalactique. L’illustration principale représente les membres du groupe de galaxies en jaune et orange, et les courants de marée autour des galaxies en bleu. © Rayons X : Nasa, CXC, Penn State Univ./S. Dichiara ; IR : Nasa, ESA, STScI ; Illustration : ERC BHianca 2026, Fortuna et Dichiara, CC BY-NC-SA 4.0 ; Traitement d’images : Nasa, CXC, SAO, P. Edmonds
Eleonora Troja, co-auteure de l’étude et chercheuse à l’Université de Rome en Italie, explique donc dans le communiqué de la Nasa que « nous avons découvert une collision au sein d’une collision. La collision de ces galaxies a déclenché une vague de formation d’étoiles qui, sur des centaines de millions d’années, a conduit à la naissance et à la collision de ces étoiles à neutrons ».
Brendan O’Connor, son collègue co-auteur de l’étude et chercheur postdoctoral McWilliams à l’Université Carnegie Mellon, déclare que « la localisation ultra-précise des rayons X par Chandra a rendu cette étude possible. Sans elle, nous n’aurions pas pu associer le sursaut à une source précise. Et une fois que Chandra nous a indiqué exactement où chercher, l’extraordinaire sensibilité de Hubble a révélé la minuscule galaxie, extrêmement faible, qui se trouvait à cet endroit. Nous n’avons pu faire cette découverte qu’après avoir rassemblé toutes les pièces du puzzle ».
De toutes ces observations, on peut déduire le scénario suivant, qui résout les deux énigmes précédemment nommées.
Chaque fois que l’on détectait un sursaut gamma orphelin, apparemment dans l’espace intergalactique, on le détectait probablement alors qu’il se produisait dans une galaxie bien trop petite et donc bien trop peu lumineuse pour être visible sans un télescope du calibre de Hubble. La galaxie en question était le produit de la condensation des étoiles et du gaz dans une queue de marée arrachée à une grande galaxie en collision avec un autre.
On le sait, les collisions de galaxies se sont souvent produites dans le cosmos observable, de sorte que de nombreuses collisions d’étoiles à neutrons productrices de platine et d’or ont dû se produire là aussi apparemment dans le milieu intergalactique, mais en réalité dans des galaxies naines de marée.
Tout sur les sursauts gamma et la synthèse de l’or !
Rappelons que c’est à la fin des années 1960 que les satellites militaires mis en orbite par les États-Unis ont fait la découverte de sursauts gamma, en anglais des gamma-ray bursts ou GRB. Ces satellites avaient pour mission de détecter des explosions nucléaires interdites dans ou hors de l’atmosphère. Mais rapidement, les scientifiques en charge des satellites Vela comprirent que ces événements étaient cosmiques et pas du tout d’origine humaine. Des années plus tard, leur découverte fut déclassifiée, laissant perplexe la communauté des astrophysiciens.
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Sursaut gamma : une puissance colossale dans l’Univers
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En effet, comme Futura l’a expliqué dans un précédent article dont nous reprenons en partie le contenu, l’énergie libérée était colossale, incompréhensible… jusqu’au moment où quelqu’un a proposé d’admettre que ces GRB n’étaient pas des émissions de rayonnement gamma selon une sorte de sphère de lumière, mais selon des jets focalisés. L’énergie libérée était bien moindre, quoique toujours gigantesque, mais cette fois-ci compréhensible dans le cadre de l’astrophysique connue.
On s’aperçut aussi que l’on pouvait diviser les GRB en deux classes : les courts, durant moins de deux secondes, et les longs, durant souvent une dizaine de secondes. Dans le premier cas, il devait probablement s’agir de collisions d’étoiles à neutrons, donnant ce que l’on a appelé par la suite des kilonovae, des explosions plus fortes que des novae, mais plus faibles que des supernovae.
Rappelons également que l’astrophysicienne américaine d’origine britannique Margaret Burbidge, son mari Geoffrey Burbidge, le prix Nobel de physique William Fowler et le cosmologiste Fred Hoyle ont publié un important article en 1957, qui n’exposait rien de moins que la recette suivie par l’Univers pour fabriquer les éléments chimiques dans les étoiles. Depuis, l’article est célèbre pour les astrophysiciens nucléaires, sous le nom de B2FH d’après les initiales de ses auteurs.
Hubert Reeves lui-même avait contribué à résoudre certaines énigmes concernant l’origine des éléments légers que l’article B2FH laissait irrésolues. Il en existait une autre, celle de l’origine détaillée des éléments plus lourds que le fer, comme l’or et le platine dont la production à l’occasion d’explosions de supernovae ne rendait pas compte des abondances observées. Depuis, on a eu des idées.
La saga de la détection de GW170817. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l’écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Science vs Cinema
Les kilonovae, des sources gamma et gravitationnelles
Il suffisait de faire intervenir des bombardements intenses de flux de neutrons sur des noyaux de fer qui, en les capturant et via des réactions de désintégrations radioactives bêta donnant des protons, permettaient d’obtenir des éléments aussi lourds que l’uranium et divers isotopes, là aussi au-delà de ceux du fer. On parle d’addition de neutrons par un processus rapide (r process, en anglais), mais ce processus peut être lent (s process, s comme slow).
Comment produire ce flux de neutrons ? Avec des collisions d’étoiles à neutrons justement, ce qui devait donner ce que l’on appelle des kilonovae, pas aussi puissantes que des supernovae. Kilonovae également émettrices d’ondes gravitationnelles et se présentant normalement sous la forme de sursauts gamma courts, ces flashs de photons gamma incroyablement puissants.
De fait, le 17 août 2017, un gamma-ray bursts (GRB, en anglais), baptisé SGRB170817A, a bien été détecté et localisé sur la voûte céleste en association avec la source d’ondes gravitationnelles détectée par Ligo et Virgo : GW170817.
Le signal gravitationnel et d’autres dans la bande électromagnétique ont confirmé qu’il s’agissait d’une collision d’étoiles à neutrons s’accompagnant du phénomène de kilonova. En l’occurrence, on estime qu’environ 100 fois la masse de la Terre en noyaux d’or aurait été synthétisée par le prodigieux flux de neutrons libéré.
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