La formation des éléments

Nucléosynthèse dans l’Univers primordial

Le terme nucléosynthèse se réfère au processus de formation d’éléments lourds à partir d’éléments légers.

La théorie du Big Bang prédit que l’Univers était extrêmement chaud à ses débuts. Une seconde après le Big Bang, la température de l’Univers était de 10 milliards de degrés environ et était remplit d’une mer de neutrons, protons, électrons, anti-électrons (positrons), photons et neutrinos. Avec le refroidissement de l’Univers, les neutrons se sont décomposés en protons et électrons, ou bien, se sont combinés avec des protons pour créer du deutérium, un isotope de l’hydrogène.

Des atomes sont des isotopes s’ils ont le même nombre de protons (ce qui définit un élément) mais un nombre de neutrons différents dans leur noyau. Cela change leur masse atomique, produisant ainsi une « variété » d’un élément.

Pendant les 3 premières minutes de l’Univers, la plupart du deutérium s’est transformé en hélium. Des quantités infimes de lithium ont également été produites à ce moment. Ce processus formation d’éléments légers au début de l’Univers est appelé nucléosynthèse du Big Bang.


Abondance des éléments par rapport à la densité de matière ordinaire

L’abondance de deutérium, d’hélium et de lithium dépend de la densité de la matière ordinaire dans l’Univers primordial, tel que montré sur le graphique ci-dessus. Ces résultats indiquent que la production d’hélium est relativement insensible à l’abondance de matière ordinaire, au-dessus d’un certain seuil. De manière générale, nous pensons que 24% de la matière ordinaire est constituée d’hélium produit lors du Big Bang. Ceci est en très bon accord avec les observations et est un autre triomphe majeur de la théorie du Big Bang.

Cependant, le modèle du Big Bang peut être testé davantage. Etant donné la mesure précise de l’abondance de matière ordinaire, l’abondance prédite des autres éléments légers devient extrêmement contrainte. Le satellite WMAP est capable de mesurer directement la densité de matière ordinaire et a trouvé une valeur de 4,6%, indiqué par la ligne rouge verticale sur le graphique. Les résultats prédits (cercles sur le graphique) sont en accord avec les observations.

C’est un test important et détaillé de la nucléosynthèse et une preuve supplémentaire qui vient soutenir la théorie du Big Bang.

La nucléosynthèse au sein des étoiles

Les éléments plus lourds que le lithium sont tous produits au sein des étoiles. Au cours du dernier stade de l’évolution stellaire, les étoiles massives brûlent l’hélium en carbone, oxygène, silicium, souffre et fer. Les éléments plus lourds que le fer sont produits de 2 manières : dans les enveloppes extérieues des étoiles super-géantes et dans l’explosion des supernova. Toute la vie sur Terre, à base de carbone, est littéralement composée de poussière d’étoiles.

D’après Universe 101 // Images



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