L'or des catastrophes

Ce que la forge ne sait pas faire

La forge des étoiles s'arrête au nickel 56, qui donnera le fer. Au-delà, les réactions de fusion sont « beaucoup moins exothermiques » : elles ne libèrent presque plus d'énergie. Et la température du cœur est si haute que la photodésintégration, la destruction des noyaux par des photons trop énergétiques, défait ce qui se construirait wiki-sib. Une étoile vit de l'énergie de ses fusions ; au fer, fusionner ne rapporte plus rien, et le chapitre 12 a montré comment le cœur, privé de combustible, s'effondre alors en quelques secondes.

Le tableau périodique, lui, continue : strontium, europium, platine, or, plomb, thorium, uranium. Au-delà d'une masse d'environ 64 (A ≳ 64, A étant le nombre de protons et de neutrons d'un noyau), ces éléments sont fabriqués « surtout par captures de neutrons » Kobayashi 2020. Le neutron, sans charge électrique, approche un noyau sans être repoussé ; le noyau s'alourdit, puis l'un de ses neutrons se change en proton et il monte d'un rang dans le tableau, comme l'a expliqué (→ chap. 12). Il n'y faut pas de chaleur extrême, mais des neutrons libres, et beaucoup.

Tout dépend de leur nombre. Le processus lent, ou processus s (slow), opère vers 10⁷ neutrons par centimètre cube ; le processus rapide, ou processus r (rapid), en exige plus de 10²⁰ Kobayashi 2020. Treize ordres de grandeur les séparent, soit dix mille milliards de fois plus de neutrons dans le second cas. Le processus s a un lieu connu : sa forme principale, du strontium au plomb, opère dans les étoiles de faible masse en fin de vie, pendant la phase dite de la branche asymptotique des géantes, ou phase AGB, et les pics d'abondance du baryum et du plomb sont « bien reproduits » par ce que ces étoiles rejettent Kobayashi 2020. Une étoile ordinaire, dans sa vieillesse, suffit.

Le processus r est d'une autre nature, et c'est ce chapitre qui doit en dire le mécanisme. Tout se joue dans une course entre deux horloges : le temps qui sépare deux captures de neutron, et le temps que met un noyau instable à se désintégrer. Quand les neutrons sont rares, comme dans le processus s, un noyau instable a presque toujours le temps de se désintégrer avant la capture suivante, et la montée reste au voisinage des noyaux stables. Quand ils arrivent par centaines de milliards de milliards dans chaque centimètre cube, les captures s'empilent avant toute désintégration. Les noyaux se gonflent de neutrons bien au-delà de ce qui est stable ; puis, le flux tari, ils se désintègrent en cascade jusqu'à des noyaux stables, souvent autres que ceux du processus s¹. Le chemin de synthèse longe ainsi la limite au-delà de laquelle un noyau ne peut plus retenir un neutron de plus, ce que les physiciens appellent la neutron drip line Cowan 2021. Ces noyaux-là ne vivent qu'un instant, et cette particularité fait l'une des deux grandes incertitudes du domaine.

Ce processus produit « environ la moitié » des éléments lourds présents dans la nature Cowan 2021, dont l'or et le platine Kasen 2017. Or aucune étape de la vie ordinaire d'une étoile ne fournit 10²⁰ neutrons par centimètre cube : ni la combustion de l'hydrogène ou de l'hélium, ni les étages rapides du carbone au silicium, ni les vents des étoiles AGB, qui en restent à 10⁷ Kobayashi 2020. Son site principal est débattu « depuis près de 60 ans » Ji 2016. La question du chapitre se ramène à une densité : où, dans l'Univers, trouve-t-on assez de neutrons libres pour faire de l'or ?

Une origine longtemps incertaine

L'article de Daniel Kasen et de ses coauteurs, en 2017, s'ouvre sur ce constat : l'origine cosmique des éléments plus lourds que le fer « est restée longtemps incertaine » Kasen 2017. Depuis 1957, on savait que les étoiles fabriquent les éléments wiki-stellarnuc. La physique du processus r était comprise ; personne n'avait vu une étoile, ni rien d'autre, fabriquer de l'or.

Le site cherché doit réunir trois conditions. Une densité de neutrons libres d'au moins 10²⁰ par centimètre cube Kobayashi 2020. Une densité qui dure assez pour que les noyaux se gonflent, puis qui cesse, pour qu'ils se désintègrent vers la stabilité. Et une matière rendue au gaz de la galaxie : le chapitre 12 a insisté sur la différence entre fabriquer et rendre, car un élément resté enfermé dans l'objet qui l'a produit n'entre dans aucune étoile de la génération suivante.

La revue de John Cowan et de ses coauteurs recense les candidats : les fusions de deux étoiles à neutrons, les fusions d'une étoile à neutrons et d'un trou noir, et des scénarios de supernovas, dont certaines hypernovas, supernovas particulièrement énergiques Cowan 2021. Une étoile à neutrons est le résidu que laisse, dans certains cas, l'effondrement du cœur d'une étoile massive : une masse d'étoile comprimée au point d'être faite pour l'essentiel de neutrons serrés les uns contre les autres². Un trou noir est un objet si compact que rien, pas même la lumière, n'en ressort³.

Chaque candidat répond au cahier des charges à sa manière. L'étoile à neutrons est un réservoir de neutrons : que l'on en arrache de la matière et qu'on la projette dans l'espace, et la densité voulue est déjà là⁴. Les supernovas ont un autre atout, qui tient au calendrier : elles sont la mort d'étoiles massives, qui vivent peu. Une étoile de 25 masses solaires brûle son hydrogène en une dizaine de millions d'années wiki-sib. Une telle supernova rend donc sa matière très tôt dans l'histoire d'une galaxie, ce qu'une fusion d'étoiles à neutrons ne fait pas nécessairement. Ce calendrier décidera de presque tout dans la suite.

Aucun de ces sites n'avait été pris sur le fait avant 2017, mais une prédiction pouvait servir de test. Les noyaux qui sortent du processus r sont pour la plupart radioactifs. Leurs désintégrations chauffent la matière éjectée, et une matière chaude brille. Un site du processus r en activité devait donc s'accompagner d'une lueur thermique alimentée par la radioactivité de ce qu'il venait de fabriquer, et les modèles pouvaient en prévoir l'éclat Kasen 2017. On l'a appelée kilonova⁵. Il restait à trouver un site au bon moment, et à regarder.

Août 2017 : entendre, puis voir

Deux étoiles à neutrons qui tournent l'une autour de l'autre émettent des ondes gravitationnelles, des ondulations de la géométrie de l'espace, de même nature que celles que l'inflation aurait dû laisser dans le fond diffus cosmologique (→ chap. 3). Ces ondes emportent de l'énergie ; l'orbite se resserre, et le couple spirale jusqu'au contact Cote 2019⁶. Pendant les derniers instants, le signal devient assez fort pour être capté sur Terre.

Le 17 août 2017, à 12 h 41 min 04 s en temps universel, les détecteurs LIGO et Virgo enregistrent la fusion de deux étoiles à neutrons : l'événement est baptisé GW170817, GW pour gravitational wave suivi de la date. Environ 1,7 seconde plus tard, le satellite Fermi capte, de son côté, un sursaut de rayons gamma abbott2017mm. Le signal gravitationnel place la source à environ 40 mégaparsecs, quelque 130 millions d'années-lumière, dans une zone du ciel de 31 degrés carrés. Moins de 11 heures après la fusion, un télescope de 1 mètre découvre dans la galaxie NGC 4993 une source lumineuse nouvelle, AT 2017gfo abbott2017mm. Cet ordre, entendre avant de voir, justifie le titre de cette section. Une onde gravitationnelle ne donne pas d'image : elle renseigne sur le mouvement des masses qui l'ont émise, un peu comme un son renseigne sur ce qui l'a produit sans le montrer. « Entendre » est une image, puisque ces ondes ne sont pas du son ; mais c'est l'onde qui a dit où chercher, et la lumière qui a montré ce que la fusion avait produit.

La source est d'abord bleue et s'éteint en 48 heures dans l'ultraviolet, puis évolue dans le visible et l'infrarouge pendant une dizaine de jours abbott2017mm. C'est la kilonova attendue : son éclat et son évolution correspondent à ce que prédisent les modèles pour la désintégration d'éléments du processus r tout juste formés Kasen 2017. La matière arrachée aux deux étoiles a été projetée dans l'espace, ses neutrons ont été capturés en masse, les noyaux gonflés se sont désintégrés, et ces désintégrations l'ont fait briller. On a vu, dans la lumière d'une galaxie lointaine, la signature d'éléments lourds en train de se former.

Kasen et ses coauteurs lisent dans cette lumière deux composantes distinctes de matière éjectée : l'une faite surtout d'éléments « légers » du processus r, de nombre de masse inférieur à 140, l'autre d'éléments « lourds », au-delà de 140 Kasen 2017. Même la composante légère est plus lourde que le fer. L'or et le platine, dont les noyaux comptent près de 200 nucléons, relèvent de la famille lourde⁷. Il faut pourtant mesurer ce que dit la kilonova : elle révèle des familles d'éléments, non l'or nommément. Aucune raie ne permet, dans AT 2017gfo, de lire tel ou tel élément.

Le premier élément précis a été lu dans une seconde fusion. En 2023, le télescope spatial James-Webb observe, 29 puis 61 jours après l'explosion, le sursaut gamma GRB 230307A, un sursaut long, d'ordinaire signe d'une étoile massive qui s'effondre, pourtant attribué à la fusion de deux objets compacts. Le spectre montre une raie d'émission à 2,15 microns, que l'équipe d'Andrew Levan interprète comme du tellure, de nombre de masse 130, et une source très rouge, émettant l'essentiel de sa lumière dans l'infrarouge moyen, ce que les auteurs attribuent à la production de lanthanides, la famille de l'europium Levan 2024. Le tellure appartient à la famille légère ; la rougeur des lanthanides signale la lourde.

Reste à passer d'un événement à l'Univers. Une kilonova montre qu'une fusion fabrique des éléments du processus r ; elle ne dit pas, à elle seule, si les fusions en ont fait assez pour les galaxies. Il faut deux nombres : la masse éjectée par fusion, tirée de l'éclat de la kilonova, et le taux de fusions, leur fréquence dans un volume d'Univers, tiré de la détection elle-même. Leur produit, sur la durée de l'histoire cosmique, se compare aux abondances observées⁸. Kasen et ses coauteurs concluent que de telles fusions sont « un mode dominant » de production du processus r dans l'Univers Kasen 2017. L'article écrit « un » mode dominant, non « le » : la formule laisse la place à d'autres sites.

La portée de GW170817 tient à ce qu'il réunit deux témoins indépendants du même événement. L'onde gravitationnelle dit ce qui a fusionné ; la lumière dit ce que la fusion a produit. Avant août 2017, le processus r devait avoir lieu quelque part ; après, l'un des candidats a été pris en train de le faire. La revue de Cowan enregistre le changement : le site des fusions d'étoiles à neutrons « vient d'être identifié », en lien avec GW170817 Cowan 2021.

Trop tard pour les étoiles les plus anciennes

Le doute ne porte pas sur la capacité des fusions à fabriquer de l'or, mais sur leur calendrier. Une fusion n'a lieu qu'après un délai : il faut d'abord que deux étoiles massives liées vivent, meurent et laissent chacune une étoile à neutrons sans que l'explosion sépare le couple, puis que celui-ci spirale jusqu'au contact. Benoit Côté et ses coauteurs décrivent ces délais par une distribution en t⁻¹ : la probabilité qu'une fusion survienne au bout d'un temps t décroît comme l'inverse de ce temps, de sorte que les fusions s'étalent sur toute l'histoire d'une galaxie au lieu de se concentrer au début. Cette distribution est tirée des sursauts gamma courts observés et des modèles de populations d'étoiles doubles Cote 2019. Deux observations résistent à l'idée que ces fusions suffisent seules.

La première vient des plus vieilles étoiles. Chaque étoile garde dans son atmosphère la composition du gaz dont elle est née : c'est un fossile de la chimie de ce gaz, et l'archéologie galactique consiste à lire ces fossiles Kobayashi 2020, comme on l'a vu au chapitre 12. Les étoiles les plus pauvres en métaux (les astronomes appellent « métaux » tous les éléments plus lourds que l'hélium) sont nées d'un gaz que peu d'étoiles avaient enrichi ; ce sont, en règle générale, des témoins des premières époques⁹. Or elles contiennent déjà des éléments du processus r Kobayashi 2020.

Le raisonnement tient en trois pas. Ces étoiles sont nées tôt. Elles contiennent du processus r. Si la seule source en était un phénomène qui tarde, le gaz des premières époques n'en aurait pas encore reçu. Dans les modèles d'évolution chimique de Chiaki Kobayashi, Amanda Karakas et Maria Lugaro, les fusions peuvent produire ces éléments jusqu'au thorium et à l'uranium, mais leurs délais sont « trop longs pour expliquer les observations à basse métallicité » Kobayashi 2020. La revue de Friedrich-Karl Thielemann et John Cowan, en 2026, range parmi les sources assez rapides pour la jeunesse de la Galaxie les supernovas à effondrement de cœur, les supernovas magnéto-rotationnelles et les collapsars ; il « n'était pas évident », écrivent-ils, que les fusions en fassent partie Thielemann 2026.

La seconde observation vient du disque de la Galaxie, et elle est indépendante de la première. Dans le disque, le rapport entre europium et fer baisse quand la teneur en fer des étoiles dépasse le dixième de celle du Soleil. L'europium sert de traceur : c'est un élément du processus r que l'on sait mesurer dans l'atmosphère des étoiles¹⁰. Avec les fusions pour seule source et la distribution de délais en t⁻¹, Côté et ses coauteurs ne reproduisent pas cette baisse. Une distribution plus raide, en t⁻¹·⁵, qui concentre davantage les fusions au début, y parvient ; mais elle contredit la fréquence des sursauts gamma courts dans les galaxies elliptiques, et rend moins probable qu'on ait vu GW170817 dans une galaxie de ce type. Leur solution : un site supplémentaire, actif tôt et qui s'éteint à mesure que la teneur en métaux monte, et qui aurait pu faire environ 50 % de l'europium des premiers temps, avant l'arrivée des supernovas de type Ia Cote 2019.

Les deux arguments reposent sur des modèles d'évolution chimique, avec leurs hypothèses sur les délais, sur ce que rejette chaque source et sur le mélange du gaz. Ils ne réfutent pas les fusions ; ils disent qu'elles auraient du mal à être seules. Le bilan tient en une phrase, dont l'axe est la différence entre prouver l'existence d'une source et prouver son exclusivité : GW170817 prouve que les fusions d'étoiles à neutrons font de l'or, pas qu'elles le font seules.

Reticulum II, un témoin que les deux camps revendiquent

Reticulum II est une galaxie naine ultra-pâle, très ancienne, formée peu après les premières étoiles. En 2016, Alexander Ji et ses coauteurs y observent neuf étoiles en spectroscopie fine : sept sont fortement enrichies en éléments lourds, selon le motif caractéristique du processus r, avec un enrichissement 100 à 1 000 fois plus fort que dans toute autre galaxie naine de ce type Ji 2016. Dans un système aussi petit, un seul événement suffit à marquer tout le gaz. Les auteurs concluent qu'un événement unique et rare a produit cette matière, avec un rendement et une fréquence incompatibles avec les supernovas ordinaires, mais compatibles avec une fusion d'étoiles à neutrons Ji 2016.

Le même objet est invoqué par l'autre camp. Pour Daniel Siegel et ses coauteurs, les étoiles de Reticulum II et l'évolution de l'europium galactique s'accordent mieux avec des supernovas rares agissant à basse métallicité qu'avec des fusions Siegel 2019. Reticulum II établit qu'un événement rare et prolifique a eu lieu tôt. Il ne dit pas lequel : le motif chimique observé est celui du processus r en général, et il ne porte pas la signature d'un site particulier.

Les candidats rapides

L'idée du premier candidat rapide vient de la kilonova elle-même. L'analyse de GW170817 attribue l'essentiel de la matière lourde aux vents d'un disque de matière en rotation, dit disque d'accrétion, formé autour du trou noir né de la fusion. Or un disque semblable doit se former dans un collapsar, l'effondrement d'une étoile massive en rotation rapide qui déclenche une supernova. Les simulations de Siegel, Jennifer Barnes et Brian Metzger, en 2019, montrent que ces disques produisent assez d'éléments r. Les collapsars sont plus rares que les fusions, mais chacun éjecte davantage de matière ; les auteurs calculent qu'ils pourraient fournir « plus de 80 % » du processus r de l'Univers Siegel 2019. Et une étoile massive meurt vite : le calendrier est réglé d'avance.

L'observation n'a pas suivi. Shreya Anand et ses coauteurs ont suivi en lumière visible et en proche infrarouge 25 supernovas de type Ic-BL, la classe qu'on associe aux collapsars. Les modèles sans processus r ajustent mieux leurs courbes de lumière, et l'échantillon ne montre pas d'indice clair d'enrichissement Anand 2024. Les auteurs ne concluent pas à l'absence : de petites quantités échapperaient à leurs mesures, et ils demandent davantage d'infrarouge et de spectroscopie tardive pour trancher Anand 2024. Selon Thielemann et Cowan, le rendement des collapsars dépend de façon sensible de la richesse en neutrons de leur disque, qui reste mal connue Thielemann 2026. Les 80 % sont donc un résultat de simulation, que vingt-cinq supernovas n'ont pas confirmé.

Le second candidat rapide est la supernova magnéto-rotationnelle : l'explosion d'une étoile massive dont le cœur tourne vite et porte un champ magnétique intense, ce qui change la manière dont la matière est éjectée¹¹. Kobayashi et ses coautrices reproduisent l'évolution de l'europium dans la Galaxie si environ 3 % des hypernovas de 25 à 50 masses solaires sont de ce type et produisent des éléments du processus r Kobayashi 2020. Le choix répond exactement à l'objection du calendrier : des étoiles aussi massives enrichissent le gaz presque aussitôt que la galaxie commence à former des étoiles, et il suffit qu'une petite fraction d'entre elles fasse du processus r pour que les premières générations en contiennent.

La proposition a son prix. La fraction de 3 % et la gamme de masses sont des réglages qui permettent au modèle de reproduire l'europium observé, non des propriétés mesurées des hypernovas, et aucune supernova magnéto-rotationnelle n'a été prise en train de fabriquer de l'or. La revue de 2026 est plus réservée encore : ces supernovas ne seraient le site que d'un processus r « faible », qui n'atteint pas les éléments les plus lourds Thielemann 2026. Le désaccord oppose des simulations différentes ; aucune observation ne le tranche aujourd'hui.

Un sursaut relu vingt ans après

Parmi les étoiles à neutrons, certaines portent un champ magnétique extrême : ce sont les magnétars. De temps à autre, un magnétar libère brusquement une partie de son énergie en un sursaut de rayons gamma, les photons les plus énergétiques ; les plus violents sont dits sursauts géants¹². Le magnétar SGR 1806-20 en a connu un en décembre 2004 Patel 2025.

L'enregistrement contenait une composante restée inexpliquée. Après le pic initial, une émission de rayons gamma durs, dont les photons portent des énergies de l'ordre du MeV (le million d'électronvolts), monte pendant une dizaine de minutes jusqu'à un maximum, puis décroît au cours des heures suivantes. En 2025, Anirudh Patel et ses coauteurs relisent ces données : la courbe de lumière, l'énergie totale reçue et le spectre de cette émission correspondent à la désintégration d'environ 10⁻⁶ masse solaire d'éléments du processus r fraîchement formés, et le titre de leur article parle de « preuve directe » Patel 2025. Un millionième de masse solaire, c'est de l'ordre d'un tiers de la masse de la Terre¹³. Le mécanisme proposé : le sursaut chauffe par une onde de choc de la matière de la croûte de l'étoile à neutrons et l'éjecte à grande vitesse Patel 2025. Une croûte d'étoile à neutrons est un réservoir de neutrons ; l'arracher, c'est remplir la première condition du cahier des charges.

La forme du signal est l'argument. Une explosion émet sa propre lumière tout de suite ; une émission qui monte pendant dix minutes après le pic, puis s'éteint en quelques heures, suit une autre horloge, celle de la radioactivité. Le raisonnement est le même que pour la kilonova de 2017, à une différence près : en 2017, on a vu la matière chauffée briller en lumière visible et infrarouge ; en 2004, on aurait capté les rayons gamma émis par les désintégrations elles-mêmes¹⁴.

Les auteurs en tirent une estimation pour la Galaxie : les sursauts géants de magnétars contribueraient « au moins à 1–10 % » des abondances galactiques du processus r Patel 2025. La fourchette couvre un facteur dix¹⁵.

L'intérêt du résultat tient au calendrier plus qu'à la quantité. Les magnétars sont des objets jeunes Patel 2025 : nés de la mort d'une étoile massive, ils agissent peu après la formation des étoiles. Les auteurs soulignent les conséquences pour l'évolution chimique, « en particulier aux toutes premières époques sondées par les étoiles pauvres en métaux » Patel 2025. Les magnétars offrent ce qui manque aux fusions, une source prompte, et ce qui manque aux supernovas magnéto-rotationnelles et aux collapsars, un événement observé. Mais 1 à 10 %, c'est une contribution, non l'essentiel de l'or de la Galaxie.

Le résultat a une base étroite : un seul événement, analysé par une seule équipe, à partir de données recueillies vingt ans plus tôt pour d'autres fins. L'expression « sites confirmés » employée par les auteurs Patel 2025 va au-delà de ce qu'un cas unique peut établir. Le résultat ajoute un site d'appoint ; il ne remplace ni les fusions ni le besoin d'un site rapide majeur.

Ce qui départagerait les candidats

Certaines mesures pèsent déjà sur le choix entre ces sites. Anton Wallner et ses coauteurs ont cherché, dans une croûte rocheuse du fond du Pacifique, deux isotopes radioactifs tombés de l'espace : le fer 60 (demi-vie 2,6 millions d'années), produit surtout par les étoiles massives et leurs supernovas, et le plutonium 244 (demi-vie 80,6 millions d'années), produit uniquement par le processus r. Ils détectent deux arrivées de fer 60 au cours des 10 derniers millions d'années, accompagnées de plutonium en moindre quantité. Le flux de plutonium est plus faible qu'attendu si les supernovas dominaient la production du processus r, ce qui implique une contribution d'autres sources Wallner 2021. L'argument pèse contre les supernovas courantes, celles qui ont livré le fer 60 ; il ne dit rien des supernovas rares, collapsars ou magnéto-rotationnelles.

La chimie des étoiles anciennes en dira davantage, à condition de lire les bons éléments. Les galaxies naines ultra-pâles, chimiquement simples, enregistrent des événements isolés, comme Reticulum II Ji 2016. Les éléments les plus lourds, thorium et uranium, sont un test plus fin : selon Thielemann et Cowan, seule une matière très riche en neutrons, où l'on ne compte qu'environ 5 à 15 protons pour 100 nucléons, produit le troisième pic d'abondance (celui de l'or et du platine) et ces actinides, ce qui peut distinguer les sites Thielemann 2026¹⁶. Un site qui ne fait qu'un processus r « faible » ne saurait expliquer une vieille étoile riche en uranium.

Les observations attendues se répartissent par candidat. Pour les fusions, chaque nouvelle kilonova associée à des ondes gravitationnelles affine la masse et la composition des éjecta, événement par événement, comme l'ont montré GW170817 et GRB 230307A Kasen 2017Levan 2024 ; le rendement moyen par fusion et le taux de fusions restent la clé du bilan. Pour les collapsars, Anand et ses coauteurs demandent un suivi infrarouge plus profond et une spectroscopie tardive des supernovas Ic-BL, qui détecteraient de petites quantités d'éléments r ou en confirmeraient l'absence Anand 2024. Pour les magnétars, chaque noyau radioactif émet en se désintégrant des photons gamma à des énergies qui lui sont propres, des raies, et Patel et ses coauteurs voient dans la mesure de ces raies un argument fort pour le futur spectromètre COSI de la NASA, qui devrait pouvoir les résoudre lors d'un prochain sursaut géant Patel 2025. Pour l'évolution chimique enfin, Côté et ses coauteurs attendent des simulations hydrodynamiques qui assurent qu'une classe rare de supernovas produit bien un motif r robuste Cote 2019.

Un or sans origine unique

Rassemblés, les résultats de ce chapitre dessinent un paysage plutôt qu'une réponse.

Les fusions d'étoiles à neutrons sont le seul site dont on a vu fonctionner le procédé, deux fois, et estimé le bilan. Elles sont probablement une source majeure de l'or de l'Univers. Les autres sont des candidats ou des contributions partielles, qui répondent surtout au problème du calendrier.

Les chiffres de ce tableau ne s'additionnent pas. « Un mode dominant » sort d'une masse éjectée et d'un taux de fusions ; « plus de 80 % » d'une simulation de disques ; « au moins 1–10 % » de l'extrapolation d'un événement unique ; les « 3 % des hypernovas » du réglage d'un modèle d'évolution chimique. Mis bout à bout, les deux premiers, si « dominant » veut dire plus de la moitié, dépassent déjà 100 %. On ne peut pas en tirer un partage de l'or galactique entre les sites, et ce partage n'est pas connu.

Ce qui est établi se dit ainsi : l'or ne vient pas de la vie ordinaire des étoiles, mais de catastrophes rares, au pluriel. La forge s'arrête au fer ; le processus s des étoiles AGB monte jusqu'au plomb Kobayashi 2020 ; l'autre moitié des éléments lourds, dont l'or et le platine, demande une densité de neutrons que seuls fournissent des événements violents Cowan 2021 : des étoiles à neutrons qui se heurtent, et peut-être des étoiles massives qui s'effondrent en tournant vite, ou des magnétars qui arrachent leur propre croûte.

Pour nous, humains faits de la matière de la Terre,, la conséquence se dit au conditionnel, puisque les chapitres suivants auront à établir que la matière de la Terre est bien celle du nuage dont est né le Soleil. Si c'est le cas, l'or de la Terre a été fabriqué, avant la naissance du Soleil, par un ou plusieurs de ces événements, puis dispersé et mêlé au gaz de la Galaxie jusqu'à entrer dans ce nuage. On ne peut pas dire lequel : le gaz d'une galaxie mêle les rejets de toutes les époques, et l'on ne peut même pas compter les générations d'étoiles qui ont précédé le Soleil (→ chap. 12). L'or d'une alliance ne remonte pas à une catastrophe identifiable, mais à un mélange de catastrophes.

Reste l'ironie de l'argument. Les étoiles pauvres en métaux ont servi de pièce à charge contre les fusions seules, et elles ne témoignent que parce que chaque étoile est un fossile chimique du gaz dont elle est née Kobayashi 2020. Le même principe permet de lire bien plus que l'origine de l'or : avec la composition des étoiles anciennes, leur âge et leur mouvement, les astronomes reconstituent l'ordre dans lequel s'est assemblée la Voie lactée, qu'on suivra au chapitre 14.

Ce qu'on ne sait pas

On ne connaît pas le partage de l'or entre les sites. Les fusions d'étoiles à neutrons sont un site prouvé et, selon Kasen et ses coauteurs, « un mode dominant » Kasen 2017 ; pour Côté et ses coauteurs, elles ne sont probablement pas la seule source Cote 2019. Ce qui départagerait : un échantillon de fusions détectées en ondes gravitationnelles, dont les kilonovas préciseraient la masse éjectée moyenne et le taux ; et des mesures du processus r dans beaucoup d'étoiles très pauvres en métaux, dont la présence, l'abondance et la dispersion d'une étoile à l'autre disent si la source est fréquente ou rare, prompte ou tardive¹⁷. La confiance est élevée sur le fait que les fusions contribuent beaucoup, faible sur les proportions.

On ne sait pas quelle source a enrichi en processus r les premières générations d'étoiles. C'est la question la plus débattue du chapitre, et les hypothèses s'opposent sur un point précis : la rareté. Les collapsars et les supernovas magnéto-rotationnelles sont rares et prolifiques, les sursauts de magnétars fréquents et modestes, les fusions rares et tardives. Les collapsars ont pour eux une simulation Siegel 2019 et contre eux vingt-cinq supernovas muettes Anand 2024 ; les supernovas magnéto-rotationnelles un modèle Kobayashi 2020 et une revue qui les juge trop faibles Thielemann 2026 ; les magnétars un événement Patel 2025. Les fusions ne sont pas exclues : la conclusion « trop tard » dépend de la distribution des délais supposée, et une distribution plus raide les ramènerait plus tôt, au prix d'un désaccord avec les sursauts gamma courts Cote 2019. Une détection d'éléments r dans une supernova Ic-BL, ou leur absence répétée sur un échantillon plus profond, ferait bouger la balance la première.

On ne sait pas si les magnétars font régulièrement de l'or. Tant qu'un second sursaut géant n'aura pas été observé avec un instrument capable d'en résoudre les raies, comme COSI devrait l'être, leur contribution reste une estimation fondée sur un cas Patel 2025. Confiance faible à modérée.

On connaît mal les noyaux par lesquels passe le processus r. La revue de Cowan place cette incertitude au même rang que celle sur les sites Cowan 2021, et les deux se tiennent : les noyaux gonflés de neutrons, près de la limite de stabilité, décident de ce qu'un site fabrique, combien de chaque élément et dans quelles proportions. Comparer ce qu'un site devrait produire à ce qu'on observe suppose de les connaître ; une incertitude de physique nucléaire devient ainsi une incertitude sur les sites¹⁸.

Ce que ce chapitre démontre

La forge stellaire s'arrête au nickel 56, qui donne le fer wiki-sib. Au-delà d'une masse d'environ 64, les éléments sont fabriqués surtout par captures de neutrons : processus s vers 10⁷ neutrons par centimètre cube, du strontium au plomb, dans les étoiles AGB de faible masse ; processus r au-delà de 10²⁰, où les captures s'empilent plus vite que les désintégrations et font passer la matière par des noyaux très riches en neutrons Kobayashi 2020Cowan 2021. Le processus r produit environ la moitié des éléments lourds de la nature, dont l'or et le platine Cowan 2021Kasen 2017.

Son origine est restée longtemps incertaine Kasen 2017. Le 17 août 2017, la fusion de deux étoiles à neutrons, GW170817, est détectée en ondes gravitationnelles, puis, dans la galaxie NGC 4993 à environ 40 mégaparsecs, en lumière abbott2017mm. Sa kilonova correspond aux modèles de désintégration d'éléments du processus r tout juste formés, avec une composante légère (A < 140) et une composante lourde (A > 140) ; la masse éjectée et le taux de fusions font de ces fusions « un mode dominant » de production du processus r Kasen 2017. En 2023, le tellure est lu dans une seconde fusion Levan 2024.

Cette preuve ne dit pas que les fusions sont seules. Leurs délais sont trop longs, dans les modèles, pour les étoiles les plus pauvres en métaux Kobayashi 2020, et ne reproduisent pas la baisse de l'europium dans le disque Cote 2019. Les candidats rapides, collapsars Siegel 2019 et supernovas magnéto-rotationnelles Kobayashi 2020, restent sans preuve directe. Le site du processus r et la physique des noyaux très riches en neutrons sont les deux grandes incertitudes du domaine Cowan 2021.

En 2025, Patel et ses coauteurs relisent le sursaut géant du magnétar SGR 1806-20, de décembre 2004 : une émission gamma qui culmine une dizaine de minutes après le pic et décroît en quelques heures correspondrait à environ 10⁻⁶ masse solaire d'éléments du processus r. Ces sursauts contribueraient au moins à 1–10 % des abondances galactiques et, les magnétars étant jeunes, pourraient avoir enrichi les premières générations d'étoiles. Le résultat repose sur un seul événement ; COSI devrait en résoudre les raies Patel 2025.

L'or vient donc de catastrophes rares, au pluriel, dont une seule sorte a été prise sur le fait. Les étoiles pauvres en métaux qui ont révélé les limites de cette preuve sont des fossiles de la chimie du gaz dont elles sont nées Kobayashi 2020 ; c'est avec elles que se lit l'histoire de la Voie lactée.

Notes