Les explosions les plus puissantes de l’univers pourraient révéler d’où vient l’or
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Les éclats de rayons gamma, les types d’explosions les plus puissants connues dans le cosmos, peuvent aider à fournir une pièce du puzzle en ce qui concerne l’un des problèmes ouverts les plus difficiles de toute la physique – comment les éléments les plus lourds de l’univers sont forgés.
Les résultats d’une nouvelle étude suggèrent que la lumière extraordinairement puissante Éclaties de rayons gamma pourrait aider à produire ces éléments à partir des coquilles extérieures des étoiles mourantes.
Auparavant, la recherche a suggéré que la formation des éléments les plus lourds, tels que l’or, nécessite de grandes quantités de neutrons que les noyaux atomiques peuvent absorber pour devenir de plus en plus grands. Mais à cause de cela, « les scientifiques ont supposé que des éléments lourds n’étaient créés que dans des endroits où les neutrons existaient déjà en grande quantité », a déclaré à Space.com l’auteur principal de l’étude Matthew Mumpower, physicien au Los Alamos National Laboratory au Nouveau-Mexique.
Normalement, neutrons sont liés à l’intérieur des noyaux atomiques ou en ce qui concerne les étoiles extraordinairement puissantes appelées étoiles à neutrons. Les réactions nucléaires telles que la fission ou la fusion peuvent libérer les neutrons de leurs liaisons pour aider à générer des éléments lourds – cependant, « les neutrons libres se décomposent généralement en 15 minutes environ », a déclaré Mumpower. Cela limite le nombre de situations potentielles dans lesquelles des neutrons libres sont disponibles dans l’abondance nécessaire pour former des éléments lourds uniquement à quelques scénarios rares. L’un de ces scénarios est la fusion catastrophique de deux étoiles à neutrons.
« J’étudie l’origine des éléments lourds depuis 20 ans », a déclaré Mumpower. « Cela me garde accroché parce qu’il y a tellement d’inconnues, ce qui en fait l’un des problèmes les plus difficiles à résoudre dans toute la physique. »
Maintenant, Humpower et ses collègues suggèrent une nouvelle façon de forger des éléments lourds. Des photons puissants, ou particules légères des rafales de rayons gamma peuvent aider à générer des neutrons, disent-ils.
« Si vous avez des photons énergiques, vous produirai des neutrons, et si vous avez des neutrons, vous pouvez créer des éléments lourds », a déclaré Mumpower.
Ce nouveau scénario envisage une étoile massive qui meurt lorsque son carburant s’épuise. Sans l’énergie nécessaire pour contrer la poussée de sa propre gravité immense, le noyau de l’étoile s’effondre pour former un trou noir. Cette mort catastrophique peut lancer des impulsions incroyablement fortes de rayonnement – des rafales de rayons gamma.
Les étoiles tournent, y compris notre soleil, et si un trou noir produit à partir d’une étoile mourante tourne assez rapidement, il peut lancer un jet puissant et générer des photons à haute énergie profondément dans le jet. Ce jet claque dans la coquille extérieure de l’étoile mourante, créant un cocon chaud de matériau. Dans ce cocon chaud, les chercheurs suggèrent que les photons à haute énergie du jet peuvent interagir avec les noyaux atomiques, transmutant les protons en neutrons incroyablement rapidement – de l’ordre d’une nanoseconde. Les photons énergiques peuvent également se séparer des noyaux atomiques, dit l’équipe, créant des neutrons gratuits. Tous ces neutrons peuvent aider à forger des éléments lourds.
« L’inspiration pour cette étude particulière est venue de conversations avec mes enfants », a déclaré Mumpower. « Ils aiment regarder des vidéos au ralenti sur YouTube, et un soir pendant la pandémie, nous avons vu un clip incroyable d’un train de marchandises labourer à travers un énorme tas de neige. La neige n’a pas simplement disparu – elle a été soufflée sur le côté et englobait le train. »
« Et si ce train représentait un jet astrophysique rempli de photons à haute énergie, et la neige représentait une étoile explosée, créant un cocon chaud de matériau capable de générer des neutrons? » Mumpower se souvient réfléchir. « Cette analogie est devenue mon moment » aha « , lançant cette recherche. »
Ce nouveau mécanisme peut aider à expliquer des résultats antérieurs étranges, tels que certains matériaux radioactifs tels que fer-60 et plutonium-244 Apparaissant ensemble dans les sédiments de la mer de la Terre. Des travaux antérieurs ont suggéré une origine extraterrestre pour ces substances, mais les fusions d’étoiles à neutrons, l’un des principaux mécanismes connus pour la formation d’éléments lourds, ne peuvent pas facilement expliquer ces matériaux.
Ces résultats peuvent également aider à expliquer le Découverte récente d’un kilonova – une lueur de lumière visible et infrarouge – associée à des éclats de rayons gamma de longue durée. Des recherches antérieures ont principalement associé les Kilonovas à la collision de deux étoiles à neutrons ou à la fusion d’une étoile à neutrons et d’un trou noir, et non d’étoiles qui s’effondrent.
Mumpower espère que les observations futures fourniront des preuves claires à l’appui des nouvelles conclusions de l’équipe. Par exemple, une gamme de télescopes qui peuvent détecter la lumière, les neutrinos et les ondes gravitationnelles pourraient suivre la façon dont une étoile effondrée peut générer une rafale de rayons gamma et un kilonova. « Ces informations nous fourniraient des preuves de fumer des armes à feu du mécanisme physique proposé », dit-il.
Les scientifiques ont détaillé Leurs résultats Le 20 mars en ligne dans le Astrophysical Journal.
