Nucléosynthèse primordiale - Définition

Introduction

Chronologie du Modèle standard de la cosmologie

Cosmologie quantique (?) Ère de Planck (?) Inflation cosmique Préchauffage Réchauffage Ère de grande unification Baryogénèse Transition électro-faible Découplage des neutrinos Ère leptonique Nucléosynthèse primordiale Transition matière-rayonnement Recombinaison Découplage du rayonnement Âges sombres Formation des grandes structures Formation et évolution des galaxies Réionisation Accélération de l'expansion Destin de l'Univers : Mort thermique de l'Univers Big Crunch Big Rip

Disciplines concernées

Gravité quantique Physique des particules Relativité générale Astrophysique

La nucléosynthèse primordiale est une théorie d'astrophysique qui permet d'expliquer la présence de certains atomes dont l'existence n'était pas prévue par le modèle de nucléosynthèse stellaire, comme le deutérium, l'hélium 4 et le lithium 7.

Selon ce modèle, lors des premiers instants de l'univers, grâce à la chaleur de l'ordre du milliard de degrés, des atomes légers se seraient formés par les interactions de particules élémentaires.

Le modèle standard de la nucléosynthèse primordiale

Pourquoi introduire ce modèle ?

Actuellement, il y a environ 1 atome de deutérium (hydrogène lourd : ²H) pour 100 000 atomes d'hydrogène. Même si son abondance est relativement faible, il est néanmoins le 7^e élément le plus abondant de l'Univers.^{[réf. souhaitée]}
Le deutérium est le plus fragile de tous les noyaux et ne résiste pas aux températures typiques des milieux stellaires, où il est détruit par les réactions nucléaires (à partir d'un million de kelvins). Son origine ne peut être expliquée que par le Big Bang : la température élevée, aux débuts de l’Univers, a permis sa fabrication et le refroidissement rapide, dû à l’expansion, a permis sa conservation.

L'abondance en masse d'hélium 4 (dans l'Univers) est actuellement de l'ordre de 23 à 30 %.
Les étoiles fabriquent de l'hélium grâce à la fusion de l'hydrogène. Mais la quantité fabriquée, et surtout effectivement relâchée dans l'espace interstellaire par le processus de nucléosynthèse stellaire est trop faible pour expliquer l'abondance de l'hélium 4 dans l'Univers.
Car il faut noter ici qu'en fin de vie des étoiles de faible ou de forte masse, une bonne partie de l'hélium produit durant la séquence principale n'est pas relâché dans l'espace !

• En effet, les étoiles de faible masse ne relâchent que les couches externes qui ont été peu modifiées par les réactions de fusion. Leur cœur constitué principalement d'hélium se transforme en naine blanche.
• Pour les étoiles plus massives, lorsque l’hydrogène est épuisé en son centre (entièrement transformé en hélium), l'hélium fusionne à son tour pour donner des éléments plus lourds, carbone, oxygène, néon... Et pour les plus massives (> 8 Mo) des noyaux plus lourds jusqu’au fer. Dans ces étoiles, l'hélium produit qui est relâché, provient d'une couche intermédiaire entre le cœur et l'enveloppe externe.

Cela fait que globalement, la quantité formée n’est pas très importante. Cela implique donc qu’à leur naissance, les galaxies devaient déjà contenir une grande partie de l'hélium actuel.

D'ailleurs, cette abondance de l'hélium a précisément une valeur plus ou moins identique (23 à 30 %) quel que soit le type de galaxie. Seul le Big Bang permet d'expliquer cette abondance.

Il existe un autre phénomène : le phénomène de spallation. Les rayons cosmiques hautement énergétiques brisent les atomes de carbone, azote et oxygène en atomes plus petits (⁶Li, ⁷Li, ⁹Be, ¹⁰B, ¹¹B, He, H...). Les quantités créées étant très faibles, ce phénomène est négligeable en ce qui concerne les abondances d’hélium, d’hydrogène et de deutérium, mais essentiel en ce qui concerne les éléments lithium, béryllium, bore ; les étoiles n'en produisent pas car ils sont immédiatement détruits par les réactions de fusion.

Grâce à la combinaison de ces 3 modèles de la nucléosynthèse stellaire, de la nucléosynthèse primordiale et de la spallation, les abondances de tous les atomes peuvent être expliquées.

Déroulement

La nucléosynthèse primordiale se produit lorsque la température est de 10⁹ K (soit dans la première minute après le Big Bang).

Avant 10¹⁰ K (t<1s), les photons, les neutrinos et antineutrinos, les baryons (neutrons et protons) ainsi que les électrons et les positrons sont en équilibre selon les réactions :

Le rapport du nombre de protons et du nombre de neutrons est alors déterminé par la loi statistique de Maxwell-Boltzmann :

À 10¹⁰ K, les neutrinos se découplent. Ainsi, les antineutrinos disparaissent et l’équilibre est rompu. À la rupture de l’équilibre, on a un rapport n_p/n_n de l'ordre de 6 (un neutron pour 6 protons). N'étant alors modifié que par la désintégration β- du neutron (  : durée de vie : 889,1 ± 2,1 s), ce rapport va augmenter.

Tant que la température reste supérieure à 10⁹ K, les noyaux de deutérium (deutérons) formés ( ) sont dissociés par les photons qui ont assez d’énergie à cette température.

Ces noyaux ne deviennent stables qu’à 10⁹ K. On a alors n_p/n_n ≈ 7 et la nucléosynthèse primordiale commence avec la formation des éléments légers :

(γ : photon)

À t≈10³s, à cause de l’expansion, la température et la densité deviennent trop faibles pour permettre la fusion d’autres noyaux et la nucléosynthèse s’arrête.

Résultats

Pendant l'ère de la radiation (jusqu'au découplage matière-rayonnement) quelques centaines de milliers d'années, le plasma ionique est composé des noyaux résultants de cette nucléosynthèse :

• L'hydrogène :

L'hydrogène résiduel, qui occupe (toujours) la place principale ~75 %.

De son isotope stable, le deutérium : ²H.

Le tritium ³H quant à lui, s'est transformé progressivement en ³He au début de cette ère de par sa radioactivité β-, d'une demi-vie de 12 ans 1/3 (dans les conditions « ambiantes », terrestres ; qui n'étaient pas celles de cette ère : plasma en dilution).

• L'hélium :

L'hélium 3 produit durant cette nucléosynthèse forme la source principale de l'hélium 3 naturel, confondu avec l'hélium 3 issu de la radioactivité du tritium initial (cf. paragraphe ci-dessus).

L'hélium 4 constitue presque tout le reste de la matière ayant réagi ~25 %. Presque tous les neutrons y sont incorporés.

Note : Dans l'Univers actuel, la majorité de l'hélium provient de l'hélium primordial, l'activité stellaire n'a augmenté son abondance qu'au plus de quelques pourcents.
Toutefois, la quasi-intégralité de l'hélium actuellement présent sur Terre n'est ni de l'hélium primordial, ni stellaire, mais celui issu de la radioactivité α des éléments lourds, thorium et uranium.

• Le Lithium :

Il reste une dose infime de lithium (⁶Li et ⁷Li) primordial, ou provenant de la radioactivité ε du béryllium ⁷Be initialement produit, se transformant en ⁷Li en une demi-vie de 53,12 jours (dans les conditions « ambiantes », terrestres ; qui n'étaient pas celles de cette ère : plasma en dilution). Ces traces infimes de ⁷Li ont été découvertes par François et Monique Spite en étudiant les spectres d'étoiles du halo galactique en utilisant le télescope de 3,6 m de l'Observatoire Canada-France-Hawaii.

Éléments, qui comme les isotopes de l'hydrogène ²H et ³H et de l'hélium ³He, n'ont pas réagi avant la fin de la nucléosynthèse, une trempe nucléaire en quelque sorte...

Caractéristiques

Le paramètre clé de la nucléosynthèse primordiale est le nombre baryonique qui est le rapport entre le nombre de baryons et le nombre de photons :

• η = nombre de baryons / nombre de photons

Ce seul nombre baryonique permet de déterminer les abondances primordiales des différents éléments légers créés lors de cette nucléosynthèse.