La forge céleste : comment les trous noirs forgent l'or ✛

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Trois millisecondes avant la fusion. Un immense trou noir en rotation frénétique attire une étoile à neutrons — une boule de la taille d'une ville mais d'une masse équivalente à une fois et demie celle du Soleil. Les forces de marée étirent l'étoile en un filament aussi fin qu'une aiguille et dispersent la matière. C'est ainsi que s'ouvre la forge céleste, où la température grimpe à des centaines de milliards de degrés et où la matière est accélérée jusqu'à 0.3 fois la vitesse de la lumière — plus vite qu'un trajet Terre-Lune en quelques secondes.

Dans une série de six reproductions informatiques de cette catastrophe, les astrophysiciens ont fait varier le spin du trou noir et le rapport de masse. Chaque simulation est une résolution des équations de la gravitation d'Albert Einstein, complétée par les champs magnétiques et la physique nucléaire. Les calculs ont été effectués sur des supercalculateurs, en modélisant chaque milliseconde de l'effondrement. Dès les années 1930, Fritz Zwicky avait suggéré que de tels cataclysmes donnaient naissance aux étoiles à neutrons et aux rayons cosmiques, mais les détails du processus restaient mystérieux jusqu'à l'avènement des méthodes numériques.

La matière éjectée se condense en un croissant brûlant, étiré le long de l'équateur. L'épaisseur de ce croissant n'est que de quelques degrés, mais sa vitesse atteint 0.3 fois la vitesse de la lumière. À titre de comparaison, un tel jet parcourrait la distance Soleil-Terre en une demi-heure. Dans ce nuage, la nucléosynthèse démarre instantanément — la capture rapide de neutrons, ou processus r. Les noyaux atomiques, telle une éponge, absorbent les neutrons et les transforment immédiatement en protons, grimpant pas à pas le tableau de Mendeleïev jusqu'à l'or, au platine, à l'uranium. Toute cette forge ne dure que quelques secondes.

La lumière née dans ce creuset — une kilonova — brille comme un million de Soleils, mais pas pour longtemps. Contrairement aux supernovae ordinaires dont l'éclat dure des mois, une kilonova s'enflamme et s'éteint en une semaine ou deux. Sa luminosité dépend fortement de l'angle de vue : vue de la tranche du croissant, l'éruption en infrarouge est magnifiquement visible, mais vue de dessus, elle peut échapper aux télescopes les plus acérés. C'est exactement ce qui s'est passé avec l'événement S190814bv : le détecteur LIGO a enregistré des ondes gravitationnelles, mais aucune lumière n'a été observée. En revanche, pour la célèbre éruption AT2017gfo, les courbes de lumière théoriques se sont parfaitement ajustées aux observations.

Maintenant, avec de tels modèles en main, les astronomes se préparent à l'ère des nouveaux relevés. Les yeux infrarouges du James Webb et les géants au sol rechercheront délibérément les kilonovae sous l'angle où leur rayonnement est le plus brillant. Grâce aux détails fins de ces courbes, nous pourrons peser le disque d'accrétion qui naît après la fusion, et déterminer s'il lance un jet — un étroit faisceau de particules qui, peut-être, déclenche un bref sursaut gamma. En attendant, les prochaines simulations numériques tournent dans la mémoire des ordinateurs : elles ajoutent les vents de neutrinos, les jets et l'évolution du disque sur des dizaines de secondes. Lorsque ces calculs intégreront tous les ingrédients, nous pourrons lire l'histoire de chaque fusion dans son spectre multicolore, étiré par le décalage vers le rouge cosmologique. Et alors, il apparaîtra probablement que les atomes d'or de votre alliance sont des cendres dispersées par la forge céleste bien avant la naissance du Soleil.