L’ABC, ou plutôt l’alpha-beta-gamma, de l’origine des éléments chimiques

After two weeks, I guess it is time for a post in French. I will this time adapt this older post of mine where I describe how the lightest chemicals appeared, according to standard cosmology. And now, time for switching to French.

La cosmologie dite standard est bien motivée par toutes les observations, et elle inclut en particulier un mécanisme appelé la nucléosynthèse primordiale. Ce dernier décrit comment les éléments chimiques les plus légers (hydrogène, hélium, lithium et béryllium) sont apparus, et décrit de plus la proportion relative des différents éléments chimiques dans notre univers.

La nucléosynthèse primordiale fut proposée il y a environ 70 ans par un physicien appelé Alpher (un doctorant à cette époque) et son directeur de thèse Gamow.

Il y a bien entendu quelques différences entre la proposition initiale et le standard d’aujourd’hui, mais le cœur du mécanisme était bien déjà là il y a 70 ans.

La publication scientifique correspondante a été co-signée par un troisième physicien, Bethe, de sorte que la liste d’auteur de ce papier est Alpher-Bethe-Gamow.

Cela donne presque les trois premières lettres de l’alphabet grec (alpha-beta-gamma), de sorte que cet article célèbre est connu aujourd’hui comme l’article alphabétique.

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L’UNIVERS PRIMORDIAL - L’INFLATION

L’ère de l’inflation correspond aux tous premiers instants de l’univers. En gros, les premières 0.000000000000000000000000000000001 seconde. L’univers était à ce moment dans une phase d’expansion exponentielle, avant de ralentir (mais sans cesser de s’étendre). En fait, même si l’univers est toujours en expansion aujourd’hui, cette dernière n’est pas aussi violente que pour l’univers primordial.

Une façon imagée de comprendre l’expansion de l’univers est de prendre un ballon et de dessiner des gros points dessus. Ces derniers représentent les étoiles et les galaxies.

Lorsque l’on gonfle le ballon, les points s’éloignent les uns des autres. Voici notre inflation.

A cette époque, on peut considérer que l’univers est juste une soupe cosmique (bon appétit), très chaude, de sorte que des paires de particule et antiparticule sont constamment créées et annihilées.

Mais on est à l’équilibre thermique : le produit net des deux réactions est nul. Autant de créations que d’annihilations.

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LA BARYOGENESE

Après sa phase d’inflation, l’expansion de l’univers continue et la température diminue (cool, on va pouvoir manger la soupe). Certains processus de création de paires de particule-antiparticule deviennent alors interdits. Ces particules ne peuvent alors plus que s’annihiler.

Par conséquent, aujourd’hui, toutes les particules correspondantes ont quasi disparues. Et il nous faut des accélérateurs comme le LHC pour les recréer.

Mais il y a cependant une petite bizarrerie.

Bien que chaque processus de création ou d’annihilation mette en jeu le même nombre de particules et d’antiparticules, une petite asymétrie entre la matière et l’antimatière est apparue.

La raison est obscure, mais cette asymétrie est bien là (il s’agit de ce qu’on appelle la baryogénèse) et elle implique que seule la matière a survécu jusqu’à aujourd’hui. Notre univers se trouve ainsi dominé par la matière, et il n’y a plus aucune trace d’antimatière. Peu de temps après, notre univers put voir la formation des protons et des neutrons.

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LA NUCLEOSYNTHESES PRIMORDIALE

Après cette courte introduction sur les 10 premières secondes de la vie de l’univers, entrons dans le vif du sujet.

Suite à la baryogénèse, notre univers est plein de protons et de neutrons, mais aucun noyau atomique ne peut se former. Les électrons sont dans la place (yeah), ainsi que les photons qui sont la composante principale du budget énergétique de l’univers à cette époque.

Ces photons sont les coupables et empêchent la formation des noyaux atomiques. Il va donc falloir attendre que l’univers refroidisse un peu pour les calmer. En fait, c’est presque vrai. Nous avons déjà des noyaux d’hydrogène (car il s’agit simplement de protons).

La nucléosynthèse primordiale est le mécanisme qui va permettre la formation de noyaux atomiques plus lourds que l’hydrogène. L’idée principale est qu’un noyau X va successivement capturer des neutrons.

Partons de notre hydrogène (c’est-à-dire d’un proton p sur la figure).

Après quelques minutes, l’univers est suffisamment froid pour des des noyaux de deuterium (D sur la figure, contenant un proton et un neutron) soient formés, et résistent à la destruction par les photons environnants (car il fait assez froid et les photons sont donc plus calmes).

Puis un petit peu plus tard, le tritium (noté T sur la figure, contenant un proton et deux neutrons) peut être formé, puis l’hélium-3 et l’hélium-4 (2 protons et respectivement 1 et 2 neutrons), puis le béryllium-7 (4 protons et 3 neutrons) et finalement le lithium-7 (3 protons et 4 neutrons).

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L’ARTICLE ALPHABETIQUE

Comme dit en début de post, la première proposition tentant d’expliquer la formation des éléments atomiques légers fut effectuée par Alpher et Gamow en 1948.

Ils ont suggéré, comme indiqué ci-dessus, que les noyaux atomiques sont produits les uns après les autres par capture de neutrons. Mais ce mécanisme ne permet pas d’expliquer la formation de tout élément ayant plus de 7 neutrons et protons.

La raison est qu’il n’existe pas de noyau stable à 5 et 8 nucléons (un nucléon est génériquement soit un proton, soit un neutron). On ne peut donc pas passer à l’étape suivante car le mécanisme impose la capture d’un neutron à la fois.

On a alors besoin d’un truc appelé étoile pour nous aider.

Ces objets sont plus denses et peuvent alors mettre un jeu la fusion de trois noyaux d’hélium afin de produire du carbone. Mais dans l’histoire de l’univers, on se trouve alors être beaucoup, beaucoup plus tard.

Alpher et Gamow ont des noms de famille proche des deux lettres grecques alpha et gamma. Pour cette raison, Gamow a alors demandé à son ami Bethe (ou beta) s’il voulait co-signer l’article scientifique correspondant.

Bah vi, les physiciens aiment les blagues :)

Cependant, Bethe accepta à condition de pouvoir travailler sur l’article et le sujet. C’est ainsi qu’il contribua de façon majeure à la nucléosynthèse primordiale.

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RESUME ET REFERENCES

Dans cet article, j’ai brièvement discuté de l’histoire de l’univers. Quelques secondes après le big bang, les éléments chimiques ont peu être produits à partir des protons et neutrons présents dans l’univers.

Le premier article scientifique parlant du mécanisme de production associé est connu comme l’article alphabétique ou alpha-beta-gamma. Cela vient du nom de ses trois auteurs, Alpher, Bethe et Gamow. Leur proposition prédit avec succès l’abondance de 99% de la masse visible de l’univers, à savoir l’hydrogène, l’hélium, le béryllium et le lithium. Un grand succès donc :)

Pour les éléments chimiques plus lourd, il faudra attendre les premières étoiles.

Pour plus d’information, il suffit de lire l’article en question, disponible en accès libre, ou bien ces notes de cours sur la baryogénèse et ces notes de cours sur l’inflation. malheureusement, ces références sont toutes en anglais… ;)

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