Du Big Bang à la mission Planck: La nucléosynthèse primordiale
Publié par Publication le 22/11/2013 à 00:00
Nous poursuivons notre série sur la mission Planck avec le chapitre: Deuxième pilier du Big Bang, la nucléosynthèse primordiale.

Abondance de l'hélium cosmique


Abondance des éléments que l'on trouve dans l'Univers
Illustration: Wikipedia

Ce graphique montre l'abondance des éléments que l'on trouve dans l'Univers. Nous observons sur ce graphe (Le mot graphe possède plusieurs significations. Il est notamment employé :) que la majeure partie de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) (75% en masse) est formée d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.), tandis qu'une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de...) respectable (25%) est constituée d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas parmi les corps...). Le rapport entre le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de noyaux d'hydrogène et d'hélium, noté He/H vaut 0.1 environ. Le reste étant à l'état de trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le champ magnétique à petite échelle du...), sachant que le Lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.) (Li), le Béryllium (Be) et le Bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) (B) pourtant plus légers que les éléments suivants sont en quantité bien moindre.

Il est naturel de supposer qu'une fraction de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) du Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la décrivent, sans...) se soit transformée en particules, notamment des baryons (particules soumises à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) forte), dont le plus léger est stable: le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.). Le proton entre dans la composition de l'hydrogène, élément chimique le plus simple, le proton est la brique de base des autres éléments chimiques.

Nucléosynthèse stellaire


Chaîne proton-proton
Illustration: Wikipedia

Nous savons depuis le début du 20ème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et faisait 33 ans 4 mois...) que la source d'énergie des étoiles est la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance...) thermonucléaire de l'hydrogène en hélium, suivant un mécanisme connu appelé chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) proton-proton (voir schéma ci-dessus).

Dans la première réaction, un proton rencontre un autre proton, fusionnant en un noyau de deutérium (Le deutérium (symbole 2H ou D) est un isotope naturel de l'hydrogène. Il possède 1 proton et 1 neutron. Son nombre de masse est 2.) (noyau composé d'un proton et d'un neutron), émettant un positron (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron. Il possède une charge électrique de +1 (contre -1 pour l'électron), le même spin et la même masse que l'électron.) (antiparticule de l'électron) et un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.). Cette réaction est très lente (La Lente est une rivière de la Toscane.), étant donné qu'elle se fait en deux étapes, et fait intervenir l'interaction faible.

Dans la deuxième étape, le deutérium fraîchement formé fusionne très rapidement avec un proton produisant de l'hélium 3, dont le noyau est composé de 2 protons et d'un neutron (Le neutron est une particule subatomique. Comme son nom l'indique, le neutron est neutre et n'a donc pas de charge électrique (ni positive, ni négative). Les neutrons, avec les protons, sont les constituants du noyau...). Ensuite, deux noyaux d'hélium 3 fusionnent en hélium 4. Cette succession de réactions constitue la chaîne pp I (pour les étoiles les plus froides), et est le mode de production d'énergie pendant la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de vie (La vie est le nom donné :) la plus longue des étoiles: la séquence principale.

L'abondance d'hélium (25% du total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le total des dettes". En physique le...) de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) l'Univers) est inexplicable si l'on suppose que son origine est purement stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.), puisque la plupart des étoiles sont des naines rouges, qui en fin de vie se transforment en naines blanches sans rejeter dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est...) le produit de la fusion de l'hydrogène. Seule une très faible proportion d'étoiles finissent leur vie en supernova (Une supernova est l'ensemble des phénomènes conséquents à l'explosion d'une étoile, qui s'accompagne d'une augmentation brève mais fantastiquement...), seul mécanisme répandant l'hélium et les éléments lourds dans le milieu interstellaire. De plus, la quantité mesurée d'hélium reste sensiblement la même quel que soit l'âge de la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de matière noire et contenant parfois un trou noir supermassif en son centre.) observée. L'abondance de l'hélium n'est donc pas d'origine stellaire.

Abondance des éléments plus légers que le carbone

La physique stellaire (La physique stellaire est la branche de l'astrophysique qui étudie les étoiles. Elle fait intervenir des connaissances issues de la physique nucléaire, physique...) permet de synthétiser le deutérium dans les étoiles, mais ce noyau est extrêmement réactif, ne persistant pas longtemps au coeur des étoiles, réagissant très rapidement pour former des éléments plus lourds. Il est donc assez incompréhensible de trouver cet isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est désigné par le...) naturellement avec une telle abondance D/H = 2/100 000.

Lorsque l'hydrogène vient à manquer au coeur de l'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.), et que celle-ci est assez massive (Le mot massif peut être employé comme :), elle quitte la séquence principale pour fusionner l'hélium en carbone, puis en oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.), silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), etc... Ceci explique naturellement la synthèse des éléments plus lourds que le carbone, mais laisse inexpliquée les quantités de lithium, béryllium et bore.

Il existe un phénomène: la spallation, correspondant à la collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) des noyaux plus lourds (carbone, oxygène etc...) avec des particules de haute énergie (généralement des protons), brisant ces noyaux en lithium, béryllium, ou bore, mais ce phénomène est trop marginal (Marginal (sous-titrée Anthologie de l'imaginaire) est une collection des éditions OPTA, vouée aux anthologies thématiques de science-fiction.) pour pouvoir expliquer la quantité observée.

Origine cosmologique des éléments légers

D'après ce qui a été évoqué, ces éléments n'ont pas une origine stellaire, mais cosmologique. Cela montre que dans le passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle...), l'Univers a été bien plus dense et plus chaud, atteignant des températures suffisantes pour former les éléments légers, c'est ce que les astronomes appellent la nucléosynthèse primordiale (En 1948, l'astronome anglais Fred Hoyle développe une théorie selon laquelle les éléments chimiques se forment dans les étoiles. Cette théorie, appelée...).

Taux de baryons

L'abondance des éléments synthétisés est très sensible à la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) de protons, notée par la lettre grecque "eta", rapport entre la quantité de baryons et de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...), ce que l'on qualifie de densité de baryons.


Abondances primordiales
Illustration: in2p3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique...)

D'après la figure précédente, la quantité d'hélium 4 est peu sensible à la densité de baryons initiale. Par contre la quantité d'hélium 3 varie d'un facteur 10 à 100 et la quantité mesurée concorde (Le Concorde est un avion de transport supersonique construit par l’association de Sud-Aviation (devenue par la suite l’Aérospatiale après sa fusion avec...) très bien avec les modèles avec "eta" = 10^(-9).

Cependant, nous voyons que les courbes du Lithium 6 et 7 ne correspondent pas très bien, ce qui laisse présager des phénomènes encore mal compris, ou bien des phénomènes au delà du modèle standard, dont les détails dépassent très largement le cadre de cet article.

Prochain article à venir sur notre série Planck: Le spectre de corps noir du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) fossile (Un fossile (dérivé du substantif du verbe latin fodere : fossile, littéralement « qui est fouillé ») est le reste (coquille, os, dent, graine, feuilles...) ou le simple moulage d'un animal ou d'un...).
Voir notre précédent article: Du Big Bang à la mission Planck: Décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre – ce...) ou redshift

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