Peut-on voir les neutrinos du Big Bang ?

Laurent Sacco

Les neutrinos sont omniprésents dans l'Univers où ils sont plus nombreux que les photons du rayonnement fossile et même, de très loin, que les particules de matière ordinaire. Très difficiles à détecter, on cherche pourtant à étudier ceux du Big Bang.

Depuis le début de l'astronomie et plus encore avec l'avènement de l'astrophysique au XIX^e siècle, la lumière est le médium qui nous permet d'étudier et de comprendre l'Univers. Il est une lumière qui est particulièrement importante en cosmologie, c'est celle qui a été étudiée à l'aide du satellite Planck : le fameux rayonnement fossile ou cosmic microwave background (CMB). Étroitement lié à la théorie du Big Bang, il a été émis environ 380.000 ans après la naissance du cosmos observable lorsque sa température est passée sous la barre des 3.000 degrés kelvin environ, du fait de son expansion qui a refroidi le gaz (ou plus exactement le plasma) de particules primordiales. Les photons ont alors cessé d'interagir avec les noyaux et les électrons qui se sont assemblés pour former les premiers atomes neutres.

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Le CMB qui nous parvient aujourd'hui a été émis, non seulement il y a longtemps, mais aussi à une très grande distance de la Voie lactée. Son étude illustre le fait qu'observer de plus en plus loin dans l'univers revient à effectuer un carottage de plus en plus profond dans les strates de l'histoire de l'espace-temps. On peut aussi dire, par analogie, que dans le cas du CMB, cela ressemble de ce point de vue à chercher à voir ce qui se passe sous la surface du Soleil. En effet, à un certain point de cette remontée dans le temps, le cosmos devient si dense et chaud que les atomes ne pouvaient exister, empêchant les photons de se déplacer librement. Au-delà, il nous est donc impossible d'obtenir des informations directes. L'univers est pour nous, en quelque sorte, opaque.

Voir plus en profondeur, c'est-à-dire en fait plus tôt, est alors possible en utilisant d'autres messagers et une autre astronomie.

Antoine Kouchner et Stéphane Lavignac retracent l’histoire passionnante du neutrino et nous font découvrir les grandes expériences consacrées à ce messager de l’infiniment grand et de l’infiniment petit dans un livre publié aux éditions Dunod et qu'accompagne cette vidéo de présentation. Antoine Kouchner est professeur à l’université Paris Diderot et directeur du laboratoire AstroParticule et Cosmologie. Il est également responsable scientifique de la Collaboration internationale Antares qui exploite le premier télescope sous-marin à neutrinos, dont le successeur, KM3NeT, est en construction en Méditerranée. Stéphane Lavignac est physicien au CNRS et effectue ses recherches à l’Institut de physique théorique de Saclay. Ses travaux portent sur la théorie des particules élémentaires et sur les conséquences des masses des neutrinos en physique des particules et en cosmologie.© DunodVideos

Or, il se trouve qu'environ une seconde après le début de l'univers observable, dans le modèle standard de la cosmologie relativiste, la température du cosmos était de 10 milliards de degrés et sa densité était comparable à celle de l'eau. L'univers contenait une soupe de leptons, de photons et surtout de protons et de neutrons se transformant les uns dans les autres en absorbant et émettant... des neutrinos (ces particules fantomatiques dont l'existence avait été prédite dans les années 1930 par le physicien Wolfgang Pauli et dont une première théorie a été développée par Enrico Fermi). En dessous de ce seuil de température qui correspond à des énergies pour les neutrinos de l'ordre de 1 MeV, ils ont cessé d'interagir avec les nucléons pour se propager finalement librement dans l'espace.

L’astronomie des neutrinos, une fenêtre sur l’univers primitif

Il existe donc, en plus du fond diffus cosmologique de photons, un rayonnement cosmologique de neutrinos qui nous donnerait directement accès - si l'on pouvait l'observer, le mesurer et le cartographier - à une image de l'état de l'univers lorsqu'il n'était âgé que de quelques secondes tout au plus. Ce fond cosmologique de neutrinos (cosmic neutrino background soit CNB ou encore CνB, lire C-nu-B), nous pouvons l'observer indirectement par ses effets sur le rayonnement fossile comme l'ont montré les analyses récentes des mesures de la mission Planck.

VOIR AUSSIÀ la recherche des neutrinos : Messagers de l'infiniment grand et de l'infiniment petit (Quai des Sciences, Dunod)

Mais le mettre directement en évidence représente un défi technologique que tentent de relever les membres du Princeton plasma physics laboratory (PPPL) à travers le projet Ptolemy (Princeton tritium observatory for light, early universe massive neutrino yield).

En effet, les neutrinos interagissent très faiblement avec la matière quand ils sont à basse énergie. Certes, il existe plus de neutrinos fossiles que de photons fossiles dans le cosmos. On estime même qu'il en existe environ 450 par cm³. Mais du fait de l'expansion de l'univers et de son refroidissement, la température moyenne du CNB est aujourd'hui de seulement 1,95 kelvin, soit légèrement plus froide que celle du CMB (2,725 K). On est donc loin des 10 milliards de kelvins initiaux. À une température aussi basse, les neutrinos cosmologiques semblaient, pour beaucoup, insaisissables puisque capables de traverser en moyenne, pour chacun d'entre eux, un bloc de fer d'une année-lumière d'épaisseur.

C'était sans compter sur les progrès des détecteurs de particules utilisant le phénomène de supraconductivité ainsi que sur les découvertes des nanosciences. L'idée de base est que de tels détecteurs absorbant une particule qui y dépose de l'énergie s'échauffent localement et cessent d'être alors dans un état supraconducteur. Ce qui se manifeste par un brusque saut de la résistance dans un des capteurs de l'appareil.

L'expérience Ptolemy consistera à utiliser ce type de calorimètre pour mesurer l'énergie des électrons émis par la désintégration de noyaux de tritium déposés sur un feuillet de graphène. La théorie de la désintégration bêta pour cet isotope bien connu de l'hydrogène implique que les électrons émis ne peuvent pas posséder une énergie supérieure à une valeur bien déterminée. En sélectionnant à l'aide d'un champ magnétique, les électrons les plus énergétiques émis par les noyaux de tritium, il est possible de mesurer leurs énergies avec un calorimètre supraconducteur refroidi à une température inférieure à 0,1 K. Toujours d'après la théorie de l'interaction électrofaible à la base de celle de la désintégration bêta, on sait que ces électrons ont une faible probabilité d'absorber une partie de l'énergie des neutrinos du CNB. Certains d'entre eux déposeront donc dans le calorimètre, plus d'énergie qu'il n'est en théorie possible en l'absence de collision avec un neutrino si le système est suffisamment protégé par les effets d'un bruit de fond causé par d'autres particules que les neutrinos.

In fine, la distribution des énergies des électrons mesurée par Ptolemy devrait montrer la présence d'au moins un pic (une augmentation de la résolution montrerait trois pics associés aux trois types de neutrinos du modèle standard) au-dessus de la valeur maximale des énergies des électrons issus de la désintégration bêta des noyaux de tritium. L'expérience devrait alors permettre de mesurer indirectement des caractéristiques des neutrinos cosmologiques, comme leurs masses et leur densité.

En montant la quantité de tritium jusqu'à 100 grammes, l'expérience Ptolemy deviendra plus sensible et permettra peut-être, alors, de mettre en évidence des neutrinos stériles, des  fermions de Majorana, dans l'hypothèse où ils constitueraient bien une part non négligeable de la matière noire. Cela pourrait alors apporter aussi une clé pour résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique.

Paradoxe de Fermi

Le paradoxe de Fermi est un argument que l'on invoque lorsque l'on s'interroge sur la possibilité de l'existence d'une civilisation extraterrestre technologiquement avancée dans la Voie lactée. Il fait l'objet de beaucoup de débats mais étant donné les données actuelles fournies par l'exobiologie - à savoir la découverte des molécules organiques dans les nuages moléculaires et l'existence de très nombreuses exoplanètes potentiellement habitables dans la Voie lactée -, il est difficile d'imaginer que cet argument ne constitue pas une objection extrêmement sérieuse sur l'existence de ces civilisations. Pour le moins, elles seraient très rares et peu durables.

L'argument, selon la légende plus ou moins documentée, remonte à l'année 1950. Alors qu'ils sont occupés à concevoir la bombe à hydrogène, Enrico Fermi et Edward Teller déjeunent avec quelques collègues à Los Alamos. La conversation porte sur la possibilité que les Ovnis - qui commencent à défrayer la chronique aux États-Unis - soient effectivement des engins extraterrestres capables de franchir le mur de la vitesse de la lumière.

Les estimations de Fermi

Habitué aux estimations rapides des ordres de grandeur en physique, Fermi n'aurait pas tardé à évaluer le temps qu'il faudrait à une civilisation croissant dans la Galaxie, selon une loi exponentielle, pour en coloniser toutes les étoiles, et cela même en se déplaçant à une infime fraction de la vitesse de la lumière. Ce faisant, il a sans doute établi rapidement à ce moment-là une équation analogue à la célèbre équation de Drake du programme Seti.

Sa conclusion semble sans appel, si une telle civilisation existait, elle devrait être là ! Comme Fermi n'a rien publié à ce sujet, nous ne savons pas vraiment ce qu'il avait en tête. Toujours est-il que ce que nous appelons aujourd'hui le « paradoxe de Fermi » prend incontestablement une de ses sources majeures dans un article publié en 1975 par l'astrophysicien états-unien Michael H. Hart. Les raisonnements de base du paradoxe de Fermi y sont exposés ainsi que les diverses conclusions auxquelles ils conduisent.

Une formulation moderne du paradoxe de Fermi

Sous une forme un peu plus développée, l'argument du paradoxe de Fermi est généralement aujourd'hui exposé de la façon suivante.

Il faudrait moins de 100 millions d'années pour qu'une civilisation capable d'atteindre une fraction non négligeable de la vitesse de la lumière (ce qui n'est pas impensable lorsque l'on considère des projets comme Daedalus utilisant des explosions thermonucléaires) ait visité toutes les étoiles de la Voie lactée. Cela suppose notamment que de chaque planète partent de nouvelles missions d'exploration et de colonisation, ce qui conduirait en quelque sorte à une réaction en chaîne (une première planète donnerait deux vaisseaux, qui avec deux autres planètes en donnerait quatre, etc.).

Or, l'âge de la Voie lactée est supérieur à 10 milliards d'années ce qui devrait avoir permis l'apparition de nombreuse civilisations extraterrestres dans la Galaxie depuis des milliards d'années. Elles auraient largement eu le temps de créer un empire galactique dont la Terre ferait partie depuis très longtemps, avant même la naissance de l'humanité. Au minimum, les constructions issues d'empires successifs dans la Voie lactée devraient être partout autour de nous dans le Système solaire.

Cette conclusion est valable même si les civilisations se contentent de ne coloniser qu'une portion de la Voie lactée, à condition bien sûr qu'elles apparaissent en grand nombre et durent assez longtemps. On est donc conduit à penser que l'apparition d'une civilisation technologiquement avancée est fort rare ou pour le moins qu'elle disparaît en général avant de pouvoir se lancer dans le voyage interstellaire.

Depuis des décennies, les tenants des contacts entre E.T. et humains se démènent pour échapper à la conclusion pessimiste issue de l'argument baptisé « paradoxe de Fermi ». Ils supposent par exemple que les civilisations avancées sont bien là mais qu'elles ne se montrent pas afin d'éviter un choc culturel. Le raisonnement est fallacieux puisque le paradoxe de Fermi suppose que la Terre devrait avoir été colonisée bien avant l'apparition de l'homme.

On peut penser aussi que ces civilisations sont rapidement devenues des super IA repliées sur elles-mêmes dans un monde virtuel infiniment plus intéressant que le monde réel, délaissant toute envie de coloniser la Voie lactée.

Source: https://www.futura-sciences.com/
Lien: https://www.futura-sciences.com/sciences/definitions/exobiologie-paradoxe-fermi-16354/?fbclid=IwAR0UQIN8ryg_Kpozvf-I7awtOHb4EPaXtgsaMWShmgI8AlSozYFP33Fmkxg#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura

L'exoplanète WASP-12b sera bientôt avalée par son étoile

On savait que l'exoplanète WASP-12b, une Jupiter chaude, était condamnée à chuter sur son étoile mais des incertitudes sur le temps qui lui restait à vivre demeuraient. On sait maintenant que ce temps est de 3 millions d'années seulement, un temps très court à l'échelle de l'évolution des galaxies, et que le phénomène de migration observé est bien dû à des forces de marée comme prédit il y a environ 25 ans.

Lorsque les Suisses Michel Mayor et Didier Queloz ont annoncé en octobre 1995 la découverte de 51 Pegasi b, découverte qui leur a valu le prix Nobel de physique en 2019, la surprise fut grande. La première exoplanète connue de l'humanité autour d'une étoile de la séquence principale était tout le contraire de ce que l'on attendait et de ce que l'on cherchait. Il s'agissait d'une géante gazeuse du type aujourd'hui appelé « Jupiter chaude », c'est-à-dire une exoplanète d'une taille comparable à celle de Jupiter dans le Système solaire mais qui, de façon surprenante, se trouvait très éloignée de son point de formation supposé, au point d'être si proche de son étoile hôte que sa température d'équilibre de surface dépassait les 1.200 degrés kelvins.

La théorie de la formation des géantes gazeuses implique qu'elles naissent dans des régions froides des disques protoplanétaires, au-delà de la fameuse ligne des glaces, là où les poussières sont entourées d'une gangue de glace d'eau et d'autres composés volatils gelés comme le monoxyde de carbone ou le méthane. Il faut donc faire intervenir des migrations planétaires pour expliquer l'existence des très nombreuses Jupiters chaudes détectées par la suite. Mais qui dit migration dit aussi qu'il est possible que certaines exoplanètes ont pu être avalées par leurs étoiles hôtes, peut-être très tôt après leur formation. On se demande d'ailleurs si le jeune Soleil n'aurait pas détruit de cette manière plusieurs superterres.

Le Système solaire est un laboratoire pour étudier la formation des planètes géantes et l'origine de la vie que l'on peut utiliser conjointement avec le reste de l'Univers, observable dans le même but. MOJO : Modeling the Origin of JOvian planets, c'est-à-dire modélisation de l'origine des planètes joviennes, est un projet de recherche qui a donné lieu à une série de vidéos présentant la théorie de l'origine du Système solaire, et en particulier des géantes gazeuses par deux spécialistes réputés, Alessandro Morbidelli et Sean Raymond. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Laurence Honnorat

WASP-12b est un exemple de Jupiter chaude dont on estimait déjà il y a 10 ans qu'elle était à l'agonie mais il restait des incertitudes quant au temps qui lui restait avant d'être engloutie par l'étoile WASP-12. Comme Futura l'expliquait dans le précédent article ci-dessous, l'exoplanète devait encore avoir 10 millions d'années à vivre mais des mesures plus précises effectuées par des astronomes états-uniens lui donnent maintenant 3 millions d'années de sursis seulement. La taille de l'orbite de WASP-12b que l'on observe à environ 1.400 années-lumière du Soleil dans la constellation du Cocher est en train de diminuer, comme les chercheurs l'expliquent dans un article en accès libre sur arXiv.

Mais quelle est l'origine de ce phénomène ? La réponse, comme souvent en astronomie lorsqu'il s'agit de modification de la taille d'une orbite, la gravitation.

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Des forces de marée dissipatives

En effet, WASP-12b est si proche de son étoile qu'elle boucle son orbite en seulement 26 heures, de sorte que les forces de marée sont très importantes entre les deux corps célestes. Ils se déforment mutuellement de la même façon que la Lune soulève les océans terrestres en créant un renflement. Si la Terre était une planète océan sans rotation, de sphérique elle deviendrait alors ellipsoïdale. C'est le cas de WASP-12b mais il se crée aussi des déformations dans son étoile hôte de sorte qu'apparaissent comme sur Terre des ondes de marée au sein de l'étoile, ce que trahit une légère distorsion de la forme de l'étoile et une oscillation de sa surface.

Tout calcul fait, l'étoile se comporte comme un corps élastique qui est malaxé, et du fait de forces résistant à ces déformations, il se produit une libération de chaleur importante à l'intérieur de l'étoile. C'est un phénomène similaire qui conduit Io, la lune de Jupiter, à être si spectaculairement volcaniquement active.

Mais qui dit chaleur dit énergie, qu'il faut bien prendre quelque part, en l'occurrence, dans l'énergie cinétique de WASP-12b qui va donc continuer à migrer vers son soleil, de la même façon que les forces de frottement d'un satellite orbitant dans la partie ténue de l'atmosphère de la Terre vont le conduire à entrer en collision avec notre Planète bleue.

De façon intéressante, ce taux de dissipation de l'énergie de l'exoplanète renseigne sur le taux de dissipation de chaleur dans son étoile, lequel dépend de la théorie de la structure stellaire. Ce qui nous permet d'obtenir de nouvelles informations sur les lois de cette structure en mesurant la vitesse à laquelle la taille de l'orbite de WASP-12b diminue au cours du temps.

Mais le résultat le plus intéressant dans la nouvelle évaluation du temps qui reste à vivre pour WASP-12b n'est peut-être pas là. Bien sûr, ce phénomène de dissipation par les forces de marée avait été prédit depuis quelques décennies pour les Jupiters chaudes et c'est une bonne chose que l'on puisse le mettre en évidence pour la première fois.

Toutefois, il indique aussi plus généralement que les migrations des Jupiters chaudes peuvent se poursuivre jusqu'à devenir si proches de leurs étoiles que les forces de marée vont les dépouiller d'une large part, voire de la totalité de l'enveloppe qui entoure un cœur rocheux, faisant apparaître d'abord une mini-Neptune chaude et ensuite une superterre.
 

POUR EN SAVOIR PLUS

Wasp-12b, une exoplanète à l'agonie...

Article de Laurent Sacco publié le 03/03/2010.

Six milliards de tonnes à la seconde ! C'est la masse de gaz s'échappant de l'exoplanète Wasp-12b selon des chercheurs du Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (KIAA) à l'Université de Pékin. Cette Jupiter chaude n'en a que pour une dizaine de millions d'années avant de disparaître. C'est la première fois que l'on observe la mort d'une planète...

En 15 ans, depuis la découverte de la première exoplanète, notre vision de la planétologie a radicalement changé. On connaît déjà pas loin de 400 systèmes planétaires dans la Galaxie et la formation des planètes, bien que plus complexe et plus riche qu'on ne l'imaginait, est finalement un processus aussi banal que la formation des étoiles. Pour l'apparition de la vie, la question demeure ouverte mais on a de plus en plus de raisons de penser qu'il doit en être de même. Pour ce qui est de l'apparition d'une vie intelligente, en revanche, on en est encore réduit à des spéculations.

Depuis sa découverte, l'exoplanète Wasp-12b intriguait les astrophysiciens. Elle est située à environ 1.400 années-lumière dans la constellation du Cocher et se trouve en orbite très rapprochée autour d'une étoile semblable au Soleil. Il lui suffit en effet d'un jour pour achever sa révolution autour de son étoile hôte à une distance 75 fois plus petite que celle séparant la Terre et le Soleil.

Or, avec sa masse une fois et demie plus importante que Jupiter, les premiers modèles astrophysiques lui donnaient une taille très similaire à celle de Jupiter. Mais les observations s'obstinaient à lui donner, elles, un volume six fois plus important. Quelle pouvait bien être la cause de ce désaccord ?

Chauffage interne et atmosphère gonflée

On savait, bien sûr, que l'atmosphère de la planète était surchauffée, donc dilatée, en raison de sa proximité à son étoile. Mais cette explication était problématique et insuffisante. Il semblerait bien que la solution ait finalement été trouvée et elle fait intervenir les forces de marée, très importantes à une aussi faible distance de l'étoile.

Avec de telles forces de marée, non seulement la planète doit adopter comme forme d'équilibre celle d'un ballon de rugby mais, surtout, elle doit subir un processus de chauffage interne similaire à celui à l'origine de l'activité volcanique d'une super Io. C'est cette dissipation d'énergie sous forme de chaleur qui ferait gonfler considérablement l'atmosphère de la planète et expliquerait les 2.500 °C de sa surface.

Il en résulterait aussi une perte de masse spectaculaire, toujours à cause des forces de marée : six milliards de tonnes à la seconde !

Selon l'astrophysicienne Shulin Li, du KIAA, Wasp-12b n'aurait plus qu'une dizaine de millions d'années à vivre avant que sa masse ne soit entièrement engloutie par son étoile. Pour le moment, les gaz arrachés à la Jupiter chaude constituent un disque de matière tombant en spiralant vers l'étoile Wasp-12.

Remarquablement, une analyse fine de l'orbite de Wasp-12b indique qu'il doit exister dans ce disque une exoplanète de type super-Terre. À cette distance de l'étoile, il doit probablement s'agir d'une super Io. Un article sur cette découverte a été publié dans Nature et sur arXiv.

Source: https://www.futura-sciences.com/
Lien: https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/astronomie-exoplanete-wasp-12b-sera-bientot-avalee-son-etoile-22819/?fbclid=IwAR35baTSfupoOVMiwXcopZrisrbjbuuEytQzU0VQlQ54GEOt0ycoifkmWKE#utm_content=futura&utm_medium=social&utm_source=facebook.com&utm_campaign=futura

L'étoile Altaïr a enfin un modèle pour sa rotation rapide.

INSU

L'étoile Altaïr, que l'on peut admirer l'été, est connue pour sa rotation très rapide. Pour la première fois, sa modélisation à deux dimensions a pu être réalisée, en incorporant les observations les plus pointues. Et elle révèle qu'Altaïr est bien plus jeune que prévu par des estimations antérieures.

Située à seulement 17 années-lumière de la Terre, Altaïr est une voisine. Étoile de première grandeur dans la constellation de l'Aigle -- avec Véga et Deneb, elle forme les « trois belles de l'été » aussi connues sous le surnom de « triangle de l’été » -- , elle a attiré l'attention des astronomes par sa vitesse de rotation extrême, plus de 100 fois supérieure à celle du Soleil. L'effet centrifuge est tel que son rayon polaire est 20 % plus petit que son rayon équatorial. L'étoile a donc été la cible privilégiée des interféromètres travaillant dans le proche infrarouge depuis la première estimation de son aplatissement par G. van Belle en 2001. L'amélioration successive des techniques interférométriques a permis ensuite d'aboutir à une très bonne image de sa surface.

L'observation d'Altaïr a donc fait durant les deux dernières décennies d'immenses progrès, qui contrastent toutefois avec la faiblesse des modèles la décrivant. On peut cependant comprendre pourquoi : les modèles couramment utilisés pour décrire les étoiles sont à symétrie sphérique et peinent à tenir compte d'un aplatissement centrifuge important.

Altaïr n’aurait que 100 millions d’années !

Le progrès décisif accompli par une équipe de chercheurs issus du Laboratoire Lagrange (CNRS, Université Côte d'Azur, Observatoire de la Côte d'Azur), du Laboratoire d'études spatiales et d'instrumentation en astrophysique (Lesia, Observatoire de Paris-PSL, CNRS, Sorbonne Université / Université Paris Diderot) et de l'Institut de recherche en astrophysique et planétologie (IRAP, Université de Toulouse, CNRS, IRAP) a été d'utiliser deux dimensions d'espace pour modéliser Altaïr.

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Ce modèle a été calculé par le code Ester développé à l'Irap, code qui incorpore tous les effets d'une rotation rapide. Les données des instruments interférométriques Pionier et Gravity du VLTI-ESO associées à des données spectroscopiques et sismologiques plus anciennes ont alors permis d'aboutir à un modèle de concordance qui satisfait toutes les contraintes observationnelles connues. Grâce au modèle, nous évaluons maintenant la masse d'Altaïr à 1,86 fois celle du Soleil et donnons une nouvelle estimation de son âge, qui passe de un milliard d'années selon les modèles sphériques à environ 100 millions d'années !

Cette nouvelle jeunesse d'Altaïr aura des conséquences sur notre connaissance de la formation des étoiles au voisinage du Soleil. Plus largement, cette modélisation réussie ouvre la porte à une compréhension plus fine des étoiles massives réputées être les créatrices de métaux dans l'Univers.

Source: https://www.futura-sciences.com/
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