En 2017, les détecteurs LIGO et Virgo ont capté des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux étoiles à neutrons. Une kilonova a alors jailli : une explosion cosmique brillante dans laquelle, pensait-on, naissent les éléments les plus lourds du tableau périodique. L'or des bijoux, le platine des catalyseurs, l'europium des écrans de smartphones : tout cela, selon une jolie légende, nous serait venu de telles catastrophes. Mais lorsque les astronomes ont refait le compte des réserves, la légende s'est fissurée.
Imaginez une forge où les éléments lourds sont façonnés dans le creuset des catastrophes stellaires. Les marteaux, ce sont les fusions d'étoiles à neutrons. Mais les marteaux frappent trop rarement et trop tard pour forger autant de métal que nous en voyons dans le disque de la Voie lactée. Les astrophysiciens ont donc décidé de tester d'autres marteaux, plus exotiques : les fusions rapides, qui se produisent presque immédiatement après la naissance des étoiles, et les fusions d'étoiles à neutrons avec des trous noirs.
Les scientifiques ont construit un modèle bayésien unifié de l'évolution chimique de la Galaxie, qui prend en compte les incertitudes sur les taux de fusion, les distributions de délais, les masses éjectées et les données d'observation. Le modèle intègre trois scénarios : les fusions rapides visibles par les détecteurs d'ondes gravitationnelles ; les fusions rapides que les détecteurs manquent ; et les fusions d'étoiles à neutrons avec des trous noirs comme canal supplémentaire. Pour chaque scénario, on a calculé la probabilité de reproduire la relation observée [Eu/Fe] en fonction de [Fe/H] pour les étoiles du disque.
Le résultat est sévère. Si les fusions rapides sont visibles par les détecteurs, elles doivent représenter plus de 98 % de toutes les fusions d'étoiles à neutrons, ce qui ferait d'elles presque tous les marteaux de la forge. Si elles sont invisibles, leur taux doit être 17 fois supérieur à celui des fusions retardées. Quant aux fusions d'étoiles à neutrons avec des trous noirs, même avec des hypothèses optimistes, elles contribuent à moins de 10 %. Autrement dit, plus de 90 % de l'enrichissement par le processus r doit provenir d'un canal inconnu qui suit le rythme de formation des étoiles.
Où sont donc passés les marteaux manquants ? Peut-être s'agit-il de supernovae magnétorotationnelles, de rares explosions d'étoiles massives dotées de puissants champs magnétiques, ou de collapsars. Ces événements exotiques se produisent rapidement, juste après la naissance des étoiles, et pourraient forger des éléments lourds au rythme voulu. De futures observations des étoiles les plus pauvres en métaux et des modèles améliorés de supernovae aideront à réduire le cercle des candidats. En attendant, le mystère demeure : dans la forge de l'Univers, il manque des marteaux, et nous commençons tout juste à chercher où ils sont cachés.
L'europium, utilisé dans les luminophores et les écrans de smartphones, est produit par le processus r. Si sa source n'était que les fusions d'étoiles à neutrons, notre Galaxie serait beaucoup plus pauvre en cet élément que ne le montrent les observations.
Dans le roman de Carl Sagan « Contact », l'héroïne entend un signal codé dans le nombre π. Ici, l'Univers lui-même nous laisse un message dans la composition chimique des étoiles, et déchiffrer ce message nécessite d'exclure certaines sources pour en trouver d'autres.