L'or a beau se trouver dans les entrailles de la Terre, il tombe du ciel. Et c'est un rare cataclysme stellaire qui en serait à l'origine, viennent d'élucider les astrophysiciens. Explications de Benoît Rey.

Repère : La nature compte 92 éléments stables. Les étoiles en forgent la plupart, mais elles ne peuvent fabriquer en quantité suffisante les plus lourds, comme l'or et l'uranium. Pour cela, un autre mécanisme, plus violent, doit intervenir.

Cette fois, c'est la bonne. Les chercheurs en sont persuadés : ils connaissent l'origine de l'or. Ils savent enfin dans quels chaudrons cosmiques ses atomes ont été forgés, avant d'être éparpillés dans l'espace et incorporés dans le nuage qui forma le système solaire, puis de s'accumuler dans les entrailles de la Terre et d'être mis au jour par l'érosion et l'avidité des hommes. L'or, mais pas seulement : l'uranium, le platine. En tout, c'est l'origine de la moitié des éléments lourds qui vient d'être élucidée. Le ressort principal de cette nouvelle genèse ? L'un des phénomènes les plus délirants de l'Univers.
Il faut imaginer deux petits astres de la taille de Paris intra-muros, chacun deux fois plus massif que le Soleil. Ces étoiles à neutrons, nées de l'effondrement d'étoiles géantes mourantes, sont si denses qu'une cuillère à café de leur matière pèse des centaines de millions de tonnes. Et il faut maintenant imaginer que ces deux monstres se fracassent l'un contre l'autre. Lors de cette collision, leur écorce est brutalement décomprimée et, dans une explosion ahurissante, jaillit une profusion d'éléments lourds fraîchement façonnés : l'équivalent de 10 Lune en or massif ! Et 6 d'argent ! Ainsi qu'une Lune d'uranium, 23 de platine, et bien d'autres métaux lourds. Au final, tout l'or que contient la Terre proviendrait de ces cataclysmes extrêmement improbables et d'une violence hors norme, qui ont eu lieu il y a des milliards d'années, aux quatre coins de l'Univers. Pensez-y la prochaine fois que vous observerez une bague ou un pendentif : ces bijoux portent en eux la mémoire d'un choc cosmique. Certes, d'aucuns conjurent de ne pas crier victoire trop tôt. Mais tous le sentent : ce nouveau scénario est le bon. "Le changement de paradigme aura pris 10 ans, analyse Stéphane Goriely, spécialiste de la nucléosynthèse stellaire (la formation des noyaux atomiques au cour des étoiles) à l'Université libre de Bruxelles. Mais aujourd'hui, la plupart d'entre nous sommes convaincus que le processus menant à la formation des éléments lourds comme l'or a bien lieu dans les collisions d'étoiles à neutrons". De quoi mettre fin à une épopée intellectuelle qui aura sollicité des générations de chercheurs et plusieurs champs de la physique. Une intrigue exaltante, riche en concepts physiques, en rebondissements et en déceptions. Un casse-tête sur lequel butaient les astrophysiciens depuis 50 ans. Pour comprendre, il faut savoir que tous les éléments qui constituent la matière viennent de l'espace. Ils ont été patiemment découverts sur Terre et rangés, dès 1869, dans le célèbre tableau de Mendeleïev, du plus léger au plus lourd : de l'hydrogène, dont le noyau est composé d'un seul proton, au plutonium, qui en accumule 94, en passant par l'oxygène (8), le cuivre (29). et l'or, avec ses 79 protons. Restait à trouver leur origine.

DISSÉMINÉS DANS L'UNIVERS : L'histoire commence en 1957. Cette année-là est publié aux Etats-Unis ce qui deviendra une bible pour les astrophysiciens : l'article B2FH, d'après les 4 initiales de ses auteurs. Une synthèse exhaustive de la genèse des éléments de l'Univers, qui aujourd'hui encore fait référence. Selon cet article, les deux éléments les plus légers, l'hydrogène et l'hélium, sont nés spontanément dans l'espace, au tout début de l'histoire de l'Univers, 3 minutes seulement après le big bang. Ils ont servi de matière première à la formation des toutes premières étoiles, au sein desquelles a démarré la production d'éléments plus complexes, dont ceux qui, quelques milliards d'années plus tard, allaient constituer notre organisme : du carbone, de l'oxygène, de l'azote, du calcium ; et même du titane, du chlore. Des éléments que les étoiles ont disséminés dans l'Univers, l'enrichissant génération après génération. C'est pour les autres éléments chimiques que les choses se compliquent.
Le fer, avec ses 26 protons, est le plus gros atome que les étoiles standard soient en mesure de produire. D'autres processus prennent donc la relève pour les éléments plus lourds. L'un d'entre eux, le processus S (S pour slow, "lent"), a lieu dans les étoiles de 1 à 3 fois la masse du Soleil, dont la densité atteint 10⁸ neutrons par centimètre cube. Dans cet enfer, les neutrons s'agrègent sur les noyaux de fer pour forger de plus gros noyaux atomiques, comme ceux du baryum ou du plomb. Mais selon B2FH, ce processus explique l'origine de la moitié des éléments lourds de l'Univers seulement. Car il dure entre 1 et 1000 ans, ce qui rend impossible la formation de certains noyaux instables, qui se désintègrent en beaucoup moins d'un an. "C'est par exemple le cas de l'étain, explique Stéphane Goriely. A partir de l'étain 116 (50 protons et 66 neutrons), l'ajout d'un neutron forme l'étain 117, qui donne ensuite l'étain 118, et ainsi de suite. jusqu'à l'étain 123, très instable, qui se désintègre en seulement 129 jours. Il est donc impossible de fabriquer de l'étain 124 de cette manière. Or, celui-ci existe bel et bien dans la nature, et il est parfaitement stable". C'est donc que doit intervenir un autre mécanisme, encore plus efficace : le processus R, pour "rapide". En 1 seconde, ce mécanisme doit être capable de saturer de neutrons les noyaux existants, comme l'étain 123, sans leur laisser le temps de se désintégrer. Ainsi gavés, les noyaux grossissent en une fraction de seconde jusqu'à atteindre un équilibre, puis servent à leur tour de briques de base pour construire des noyaux encore plus lourds. Ce processus R serait donc à l'origine de l'étain 124, ainsi que de l'or, de l'uranium, du platine, de l'osmium. et d'une flopée d'autres éléments lourds.
Le problème, c'est qu'en 1957, on n'a aucune idée de la source cosmique de ce phénomène. Une chose est sûre, il n'a pas lieu dans les étoiles classiques. Selon la théorie, le milieu doit être riche d'au moins 10²⁰ neutrons par centimètre cube, soit 1000 milliards de fois plus que ce que nécessite le processus S !

LA PISTE DES SUPERNOVÆ : Un seul type d'astre peut atteindre de telles concentrations : les étoiles à neutrons. Sauf que vu leur formidable gravité, rien n'en sort jamais une fois qu'elles sont formées. Or, les astrophysiciens recherchent un objet capable de propager dans l'Univers les éléments qu'il fabrique, en explosant par exemple. Ils délaissent donc les étoiles à neutrons et se tournent plutôt vers les explosions d'étoiles massives qui les génèrent : les supernovæ. Selon les modélisations rudimentaires de l'époque, ces cataclysmes fourniraient les conditions de concentration requises. Et ils durent une seconde, soit le temps caractéristique du processus R ! De quoi en faire des candidats privilégiés. S'ensuivent 3 décennies de calculs de haute voltige à l'issue desquelles, au début des années 1990, les chercheurs pensent tenir enfin un mécanisme plausible, le "modèle du vent neutrinique". D'après ce scénario, le processus R aurait lieu au cour des explosions d'étoiles massives, à l'interface entre l'enveloppe interne de l'étoile et le petit grain extrêmement dur qui naît en son cour. Un vent de particules (des neutrinos) y formerait des bulles de matière extrêmement chaude dans lesquelles naîtraient en profusion les neutrons qui constituent les éléments lourds. Sauf que, depuis, ce scénario s'embourbe. Il peine à produire des neutrons en quantité suffisante. Et les simulations ne permettent pas de trancher.
Il faut attendre le début des années 2000 pour que l'histoire rebondisse grâce à des travaux issus d'un secteur de l'astrophysique à des années-lumière de ces questions de physique nucléaire. Que se passe-t-il lorsque 2 étoiles à neutrons tournent l'une autour de l'autre, unies par les liens de la gravitation ? La situation n'est pas si exceptionnelle : il suffit qu'un système soit composé de 2 étoiles massives pour que, après leur mort explosive, cet étrange bal se mette en place. Vu les masses en jeu, les astrophysiciens prédisent que leur rotation doit asperger l'Univers d'un déferlement d'ondes gravitationnelles, qui déforment la structure de l'espace-temps comme un caillou déforme la surface de l'eau. C'est là, à l'origine, tout l'intérêt scientifique de ces systèmes binaires d'étoiles à neutrons. D'énormes détecteurs, Ligo aux Etats-Unis et Virgo en Italie, ont été mis en service dans les années 2000 dans le seul but de repérer ces ondes gravitationnelles - en vain jusqu'ici (encadré ci-dessous). Alors qu'ils modélisent le plus minutieusement possible le phénomène, les théoriciens se rendent compte qu'à force de perdre de l'énergie sous la forme d'ondes gravitationnelles, les deux cadavres stellaires se rapprochent et finissent par s'écraser l'un sur l'autre dans une explosion effroyable. que l'on soupçonne d'être à l'origine des "sursauts gamma courts", des flashs extrêmement brefs et brillants régulièrement détectés par les télescopes spatiaux. Et au début des années 2000, les modélisations révèlent que ces fusions stellaires fournissent les conditions idéales. pour le processus R. Nous y revoilà ! "Ces fusions d'étoiles à neutrons n'ont lieu qu'une fois tous les 100.000 ans dans la Voie lactée : elles sont 1000 fois plus rares que les supernovæ. Mais elles produiraient 100 à 1000  fois plus d'éléments lourds que le modèle du vent neutrinique, soit environ un centième de la masse du Soleil, calcule Stéphane Goriely. Au final, elles pourraient expliquer à elles seules l'origine de la totalité des éléments lourds produits par le processus R !"

DIFFICILES À DÉTECTER : Reste à prouver que ce scénario cataclysmique est le bon. L'histoire montre que ce n'est pas la première fois qu'on est convaincu à tort d'avoir résolu cette énigme. Comment faire ? Les chercheurs ont bien une idée : les simulations indiquent qu'une semaine après le cataclysme, la désintégration des éléments les plus radioactifs devrait cracher une flambée de rayons infrarouges dans toutes les directions. Ce rayonnement, baptisé "kilonova", prendrait la forme d'un pic de luminosité aux allures de supernova, quoique 10 à 1000 fois moins brillant. Un sursaut gamma court suivi quelques jours plus tard d'une kilonova. La chasse est ouverte. Mais elle promet d'être ardue. "Les sursauts gamma se produisent le plus souvent à une distance trop grande pour qu'une kilonova associée, si elle existe, puisse être détectée", explique Frédéric Daigne, de l'Institut d'astrophysique de Paris. Avec ses collègues, il a confronté le taux prévu de collisions entre étoiles à neutrons avec la partie du ciel observée et la sensibilité du télescope de l'observatoire du mont Palomar en Californie, spécialisé dans ce type d'observation. Conclusion rageante : les kilonovæ dégagent une énergie tout juste inférieure à la limite de détection. Au point qu'avec les moyens de surveillance actuels, il ne faut pas espérer en repérer plus d'une tous les 10 ans ! La quête de l'or a décidément de quoi rendre fou.
Mais le 3 juin 2013, coup de tonnerre : un sursaut gamma de 0,18 seconde est observé par le satellite Swift dans la constellation du Lion, à une distance de 3,9 milliards d'années-lumière - soit pas trop loin de nous. "Dès l'annonce de cette détection, j'ai fait une demande d'observation auprès de l'Institut des sciences du télescope spatial, responsable du satellite Hubble", raconte Nial Tanvir, de l'université de Leicester (Angleterre). Bien lui en a pris : 9 jours après le sursaut, Hubble, grâce à sa sensibilité extrême, détecte une kilonova !

L'ÉNIGME ENFIN RÉSOLUE ? La spectroscopie (l'étude du rayonnement émis) ne permet pas d'identifier les éléments impliqués : il est donc impossible de confirmer que le signal provient de la décomposition des éléments radioactifs issus du processus R. Mais son profil correspond à ce que prévoient les modèles de fusion d'étoiles à neutrons. Parmi les chasseurs de kilonovæ, c'est l'effervescence. C'est la première confirmation éclatante du nouveau scénario sur l'origine des éléments de l'Univers. Ils savent qu'il leur faudra d'autres observations pour prouver véritablement validité. Mais ils auront bientôt les moyens de les obtenir. "Avec la mise en service, vers 2020, du Large Synoptic Survey Telescope au Chili et du satellite Euclid, qui seront 25 fois plus sensibles et couvriront une surface 7 fois plus étendue, on devrait repérer 10 kilonovæ par an", estime Frédéric Daigne. D'autant que le lancement de détecteurs d'ondes gravitationnelles de deuxième génération, à la sensibilité décuplée, devrait également faire mouche d'ici 5 ans. "Le rêve serait que dans les millisecondes suivant la détection d'ondes gravitationnelles, un sursaut gamma court soit observé depuis un télescope gamma spatial, qui laisserait place plusieurs jours après à une kilonova, lâche Frédéric Daigne. Alors, le scénario serait définitivement validé". Voilà pourquoi c'est finalement le moment idéal pour prendre l'histoire en route : juste assez tard pour échapper à la frustration qu'ont ressentie les chercheurs durant les années d'errance ; juste assez tôt pour savourer son dénouement à sa juste valeur s'il survient demain. Ce n'est plus qu'une question de temps. Les spécialistes doivent encore patienter avant de l'annoncer haut et fort. Mais ils ont enfin compris d'où vient tout l'or du monde.

On a peut-être découvert l'origine de l'or dans l'Univers.

En juin, le satellite Swift a détecté un rayonnement gamma très puissant et très court (une fraction de seconde). Autant les physiciens savent que les "sursauts gamma" longs (plus de 2 s) sont le signe de l'explosion d'étoiles massives (supernovæ), autant les sursauts courts restaient énigmatiques.

Or, celui-ci était accompagné d'une lueur infrarouge, pouvant correspondre à la décroissance radioactive d'éléments lourds créés lors de la fusion de deux étoiles à neutrons (résidus d'étoiles massives), et qui aboutirait à la formation d'or ou de platine. D'après l'Américain Edo Berger, chacune de ces fusions cosmiques serait capable de produire une masse d'or environ 10 fois plus grande que celle de la Lune.

C'est dans l'espace qu'il faut chercher l'origine de l'or. Créé par des supernovæ lors de la formation de la Voie Lactée, il a été fait prisonnier au cour de la Terre. Qui ne le libère qu'au gré de ses caprices. Et avec parcimonie.

Si l'or est rare, ce n'est pas sans raison, cela tient à la fois à son origine, à ses qualités intrinsèques et aux processus géologiques à l'ouvre sur Terre. Son origine ? De fait, comme d'ailleurs - tous les métaux connus sur Terre, l'or est synthétisé au cour des étoiles les plus massives par un mécanisme connu sous le nom de "nucléosynthèse". En fin de vie, ces astres explosent en supernovæ et fertilisent le milieu interstellaire en éléments chimiques. Et ce sont eux que les planètes - dont la Terre - ont incorporés au moment de leur formation. D'après le scénario établi par les astrophysiciens ces cinquante dernières années, l'or terrestre a été synthétisé par des générations successives d'étoiles ayant existé il y a entre 12 et 4,5 milliards d'années, c'est-à-dire entre le moment où notre galaxie s'est formée et celui où le Soleil et son cortège de planètes ont vu le jour ! cela étant, le précieux métal n'est pas réparti de façon homogène à l'intérieur de la Terre.

PIÉGÉ DANS LE NOYAU

Après s'être formée il y a 4,55 milliards d'années, notre planète s'est en effet différenciée : les éléments les plus lourds tels que le fer et le nickel ont plongé vers son cour, s'y accumulant pour former un noyau métallique. En surface, les plus légers (silicium, oxygène, aluminium, etc.) ont formé une fine croûte. L'or, qui a une forte affinité pour le fer, a été piégé dans le noyau, tandis que la croûte superficielle n'en a conservé que des traces : de l'ordre de 0,002 gramme par tonne. Toutefois, le métal a été concentré localement grace à certains processus géologiques.
De fait, l'or s'accumule là où des fluides chauds (dits "hydrothermaux") circulent dans la croûte terrestre. Ces fluides dissolvent les éléments métalliques présents dans les roches - or, argent, arsenic, mercure, etc.-, et les transportent sous la forme de complexes chlorés ou sulfurés via le réseau de fractures. Puis, lorsque la température ou la pression changent brusquement, le cocktail métallique précipite.
Ce phénomène intervient surtout au niveau des zones de subduction, là où la croûte océanique plonge dans le manteau et fond partiellement (gisements magmatiques dits "porphyriques" et "épithermaux"). Egalement au sein des chaînes de montagnes, lorsque deux continents entrent en collision (gisements qualifiés "d'orogéniques"). Plus précisément, les gisements magmatiques sont étroitement associés à la genèse des magmas. Les fluides qui s'en échappent précipitent parfois au sommet de la masse de liquide, entre 1 et 5 km de profondeur : des cristaux de magnétite (un oxyde de fer), de chalcopyrite (un sulfure de cuivre et de fer) et d'or forment alors des gisements magmatiques "porphyriques à cuivre et or" qui ne renferment guère plus d'un gramme d'or par tonne de roche.

La chute de 160 météorites de 20 km de diamètre suffirait à expliquer l'abondance dans la croûte terrestre de certains métaux précieux comme l'or ou le platine, selon Gerhard Schmidt (université de Mayence, Allemagne).

Survenu une trentaine de millions d'années après la naissance de notre planète, ce bombardement expliquerait également pourquoi on trouve ces métaux en surface, alors que le fer, présent lors de la formation de la Terre, s'est retrouvé au centre. Cette pépite d'or serait arrivée sur la Terre via une pluie de météorites.

Pourquoi trouve-t-on de l'or dans la croûte terrestre, alors que cet élément sidérophile, c'est-à-dire attiré par le fer liquide, aurait dû tomber vers le noyau métallique de notre planète dès sa naissance ? Parce qu'il y serait arrivé juste après, via le bombardement de corps célestes qu'a subi la Terre, comme tout le système solaire, à la fin de sa formation.

À l'aide de modèles numériques, l'équipe américaine de William Bottke a évalué que ces corps devaient être assez massifs pour enrichir le noyau terrestre, mais pas trop pour ne pas le briser. D'un diamètre de 2400 à 3200 km (proche de celui de Pluton), il s'agirait de planétoïdes, des astres qui n'avaient pas atteint une taille suffisante pour être de vraies planètes. Ils auraient également apporté de grandes quantités d'autres métaux précieux (platine, iridium) très utilisés dans l'industrie, et sans lesquels notre vie aurait été très différente...

La majeure partie de l'or, du platine, de l'uranium et des éléments les plus lourds de l'univers se serait formée au cours de violentes collisions entre deux étoiles à neutrons, capables de déclencher des réactions nucléaires en chaîne.

C'est ce qu'ont montré des astrophysiciens allemands à l'aide de simulations informatiques.