Impact of neutron captures on the r-process: I. Propagation of statistical model uncertainties

L'univers est une vaste usine chimique, mais pendant des décennies, les scientifiques ont lutté pour expliquer comment environ la moitié de tous les éléments plus lourds que le fer ont été forgés. Ces éléments lourds, qui incluent tout, de l'or à l'uranium, sont créés lors des événements cosmiques les plus violents imaginables, tels que la collision de deux étoiles à neutrons. Dans ces environnements extrêmes, les noyaux atomiques sont bombardés par un déluge de neutrons, accumulant rapidement des atomes de plus en plus lourds dans un processus connu sous le nom de processus de capture de neutrons rapide. Bien que les astronomes aient confirmé que ces collisions se produisent et produisent les types d'éléments appropriés, la physique précise régissant la manière dont les atomes changent pendant l'explosion reste largement un mystère. Comme nous ne pouvons pas recréer ces conditions en laboratoire, les chercheurs doivent s'appuyer sur des modèles informatiques complexes pour simuler le voyage de la matière, d'un atome simple vers un élément lourd. La précision de ces simulations dépend entièrement des données qui leur sont injectées, plus précisément de notre compréhension des états d'énergie interne des atomes instables, riches en neutrons, qui n'existent que pendant un instant fugace.

Une équipe de chercheurs dirigée par Yu An de l'Université technique de Darmstadt a mené une investigation approfondie sur l'une des pièces les plus critiques de ce puzzle : les modèles statistiques utilisés pour prédire comment ces atomes instables capturent des neutrons. Dans leur étude, ils n'ont pas tenté d'inventer une nouvelle physique, mais ont plutôt testé à quel point les résultats finaux d'une explosion cosmique changent lorsque les hypothèses sous-jacentes sur la structure atomique sont légèrement modifiées. Ils se sont concentrés sur deux ingrédients théoriques spécifiques : la densité de niveaux nucléaires, qui décrit de combien de manières différentes un noyau atomique peut vibrer ou stocker de l'énergie, et la fonction de force gamma, qui mesure la probabilité qu'un noyau émette de l'énergie lumineuse lorsqu'il se stabilise. En exécutant des milliers de simulations avec différentes combinaisons de ces modèles théoriques, l'équipe a cartographié précisément là où notre manque de connaissances crée les plus grandes lacunes dans notre compréhension de l'histoire chimique de l'univers.

Les chercheurs ont commencé par simuler les suites d'une fusion d'étoiles à neutrons, un scénario où deux étoiles mortes s'entrechoquent et éjectent un nuage de matière ultra-dense. Ils ont exécuté cette simulation en utilisant soixante combinaisons différentes des modèles théoriques à leur disposition, créant une large gamme de résultats possibles pour le mélange final d'éléments. Les résultats ont révélé une hiérarchie claire de l'incertitude. Les modèles décrivant comment les noyaux stockent l'énergie, connus sous le nom de densités de niveaux nucléaires, ont eu un impact bien plus important sur la composition chimique finale que les modèles décrivant comment ils émettent de la lumière. Si les pics majeurs des éléments lourds, tels que ceux correspondant à l'or et au platine, sont restés relativement stables quel que soit le modèle utilisé, les régions entre ces pics présentaient des différences spectaculaires. Dans certaines simulations, l'abondance des éléments dans une plage de masse spécifique autour de 172 à 178 unités atomiques triplait ou disparaissait entièrement selon le modèle d'énergie choisi.

Pour comprendre pourquoi cela se produit, l'équipe a examiné de près le calendrier des événements à l'intérieur du nuage de débris en expansion. Après l'explosion initiale, la température chute rapidement. Au début, les atomes sont si chauds que les neutrons sont constamment capturés puis éjectés dans une danse équilibrée. Finalement, la température descend suffisamment pour que cet équilibre se brise, et les atomes commencent à se stabiliser dans leurs formes finales. Les chercheurs ont découvert que le choix du modèle d'énergie devient critique dans la phase « froide » de ce processus, qui se produit lorsque la température descend à environ 0,45 milliard de degrés. Dans cette fenêtre, si le modèle théorique prédit que les atomes capturent les neutrons lentement, la matière stagne dans une région spécifique du tableau périodique, créant un sous-pic distinct d'éléments. Si le modèle prédit une capture plus rapide, cette matière passe rapidement à des éléments encore plus lourds, laissant un vide derrière elle. Cette sensibilité n'est pas un simple caprice d'une simulation isolée ; l'équipe a constaté que même en moyennant les résultats de plus de 11 000 scénarios d'explosion différents pour imiter un mélange galactique réaliste, ces lacunes et pics spécifiques persistaient.

L'étude a également exploré une vaste grille de conditions hypothétiques, faisant varier la densité initiale et le rapport entre protons et électrons dans la matière pour voir comment différents environnements réagissent à ces incertitudes. Ils ont découvert que l'impact des modèles d'énergie n'est pas uniforme à travers tous les événements cosmiques. Dans les environnements où l'approvisionnement en neutrons est rare, le choix du modèle importe très peu car les atomes tombent simplement à court de carburant avant de pouvoir être significativement modifiés. Cependant, dans les environnements dotés d'un approvisionnement riche en neutrons et de conditions thermodynamiques spécifiques, la différence entre les modèles peut déterminer si un élément particulier est produit en abondance ou est presque inexistant. Les chercheurs ont identifié que les incertitudes les plus significatives surviennent dans les scénarios « froids » où les atomes continuent de capturer des neutrons longtemps après que l'équilibre initial a été rompu. Dans ces conditions, de petites variations dans la vitesse prédite de capture des neutrons peuvent déplacer tout le flux de matière, décidant si le processus s'arrête au deuxième pic des éléments lourds ou s'il pousse jusqu'au troisième.

En fin de compte, ce travail sert de carte cruciale pour les expériences futures. Il indique aux physiciens nucléaires exactement quelles régions du tableau atomique sont les plus sensibles à nos lacunes théoriques actuelles. L'étude confirme que, bien que nous ayons une image générale de la manière dont les éléments lourds sont fabriqués, les détails fins du paysage chimique dépendent fortement de notre compréhension des états d'énergie interne des noyaux instables. Les chercheurs concluent que pour affiner notre compréhension de l'évolution chimique de l'univers, nous avons besoin de meilleures données expérimentales et de descriptions théoriques plus précises des densités de niveaux nucléaires, particulièrement pour les isotopes spécifiques qui se situent entre les pics majeurs des éléments lourds. Sans ces améliorations, nos simulations du cosmos continueront de porter une ombre d'incertitude, incapables d'expliquer pleinement l'abondance précise des éléments lourds qui constituent notre monde.