Les photons à haute énergie produits au plus profond de jets d’éclatement de rayons gamma émergeant d’une étoile effondrée pourraient dissoudre les couches stellaires externes en neutrons libres, provoquant une série de processus physiques qui se traduisent par la formation d’éléments lourds, selon un article publié dans le Journal astrophysique.
La formation des éléments les plus lourds repose sur des environnements astrophysiques avec une quantité abondante de neutrons.
Les neutrons peuvent être trouvés dans le cosmos lié dans les noyaux atomiques ou dans un milieu sous pression extrême.
Les neutrons libres sont rares, en raison d’une demi-vie de moins de 15 minutes.
« La création d’éléments lourds tels que l’uranium et le plutonium nécessite des conditions extrêmes », a déclaré le Dr Matthew Mumpower, physicien au Los Alamos National Laboratory.
«Il n’y a que quelques scénarios viables mais rares dans le cosmos où ces éléments peuvent se former, et tous ces emplacements ont besoin d’une grande quantité de neutrons. Nous proposons un nouveau phénomène où ces neutrons ne préexistent pas mais sont produits dynamiquement dans l’étoile.»
La clé pour produire les éléments les plus lourds du tableau périodique est connue sous le nom de processus rapide de capture de neutrons, ou process R, et il est considéré comme responsable de la production de tous les accessoires naturels, de l’uranium et du plutonium dans l’univers.
Le cadre de l’équipe prend la physique difficile du processus R et les résout en proposant des réactions et des processus autour des effondrements d’étoiles qui pourraient entraîner une formation d’éléments lourds.
En plus de comprendre la formation d’éléments lourds, le cadre proposé aide à répondre aux questions critiques concernant le transport des neutrons, les simulations multiphysiques et l’observation d’événements rares – qui sont tous intéressants pour les applications de sécurité nationale qui peuvent glaner les idées de la recherche.
Dans le scénario que les chercheurs proposent, une étoile massive commence à mourir alors que son combustible nucléaire s’épuise.
Je ne peux plus pousser contre sa propre gravité, un trou noir se forme au centre de l’étoile.
Si le trou noir tourne suffisamment rapidement, les effets de tracage du cadre de la gravité extrêmement forte près du trou noir serpentent le champ magnétique et lancent un jet puissant.
Grâce à des réactions ultérieures, un large spectre de photons est créé, dont certains sont à haute énergie.
« Le jet explose à travers l’étoile devant lui, créant un cocon chaud de matériaux autour du jet, comme un train de marchandises qui laboure la neige », a déclaré le Dr Mumpower.
À l’interface du jet avec le matériau stellaire, les photons à haute énergie (c’est-à-dire la lumière) peuvent interagir avec les noyaux atomiques, transmutant les protons aux neutrons.
Les noyaux atomiques existants peuvent également être dissous en nucléons individuels, créant plus de neutrons libres pour alimenter le processus R.
Les calculs de l’équipe suggèrent que l’interaction avec la lumière et la matière peut créer des neutrons incroyablement rapidement, à l’ordre d’une nanoseconde.
En raison de leur charge, les protons sont piégés dans le jet par les champs magnétiques forts.
Les neutrons, qui sont sans charge, sont labourés du jet dans le cocon.
Ayant connu un choc relativiste, les neutrons sont extrêmement denses par rapport au matériau stellaire environnant, et donc le processus R peut s’ensuivre, avec des éléments lourds et des isotopes forgés puis expulsés dans l’espace alors que l’étoile est déchirée.
Le processus de protons convertissant en neutrons, ainsi que des neutrons libres qui s’échappent dans le cocon environnant pour former des éléments lourds, implique un large éventail de principes de physique et englobe les quatre forces fondamentales de la nature: un véritable problème multiphysique, combinant les zones de la physique atomique et nucléaire avec l’hydrodynamique et la relativité générale.
Malgré les efforts de l’équipe, de plus en plus de défis restent alors que les isotopes lourds créés pendant le processus R n’ont jamais été faits sur Terre.
Les chercheurs connaissent peu leurs propriétés, y compris leur poids atomique, leur demi-vie, etc.
Le cadre de jet à haute énergie proposé par l’équipe peut aider à expliquer l’origine de Kilonova – une lueur de rayonnement électromagnétique optique et infrarouge – associé à des éclats de rayons gamma de longue durée.
« La dissolution des étoiles via un jet de photon à haute énergie offre une origine alternative pour la production d’éléments lourds et le kilonova qu’ils peuvent fabriquer, une possibilité qui ne soit pas pensée auparavant associée aux étoiles qui s’effondrent », ont déclaré les scientifiques.
