L’univers contient tous les éléments présents dans le tableau périodique. Des gaz légers, tels que l’hélium, aux métaux lourds, comme le plomb. Mais comment tous les éléments de l’univers ont-ils été formés ? La création des éléments commence dans les premiers instants du Big Bang.
L’univers n’avait que quelques secondes et tout l’espace était emballé dans un volume des millions de fois plus petit qu’aujourd’hui. En raison de densités incroyablement élevées, la température moyenne de tout le matériel dans l’univers était largement supérieure à un milliard de degrés.
De l’énergie aux quarks
La chaleur était si intense que les protons et les neutrons ne pouvaient pas exister en tant qu’entités stables. L’univers n’était qu’une mer de particules fondamentales, appelées quarks et gluons, bouillonnant dans un état de plasma brut. Mais l’univers ne pouvait pas rester ainsi longtemps et a commencé à se dilater rapidement.
Simultanément, l’expansion a permis son refroidissement constant. De cette manière, les quarks se sont agrégés pour former les premiers protons et neutrons. Mais après quelques minutes de sa naissance, la température était trop basse pour créer de nouveaux protons et neutrons. Ainsi, ces premières particules lourdes étaient les seules que l’univers produirait jamais. La distribution initiale de l’univers comptait environ six protons pour chaque neutron. Les neutrons seuls ne sont pas stables et se désintègrent avec une demi-vie d’environ 880 secondes. Ainsi, ils ont commencé à se lier aux protons pour former les premiers noyaux atomiques.
De tous les éléments légers, l’isotope hélium-4, composé de deux protons et de deux neutrons, a la plus grande énergie de liaison. Cela signifie qu’il est le plus facile à former mais aussi le plus résistant. À partir de calculs comme celui-ci, les cosmologistes peuvent prédire que l’univers a commencé avec un mélange d’environ 75 % d’hydrogène, 25 % d’hélium et une petite quantité de lithium, ce que les astronomes observent exactement.
Nucléosynthèse stellaire
La phase suivante dans l’apparition des éléments a dû attendre la première génération d’étoiles. Celles-ci ont commencé à briller seulement des centaines de millions d’années après le Big Bang. Les étoiles se nourrissent par fusion nucléaire, transformant principalement les atomes d’hydrogène en hélium. Les étoiles ont tellement d’hydrogène à leur disposition qu’elles peuvent brûler pendant des milliards d’années.
Vers la fin de leur vie, elles passent à la fusion de l’hélium, le transformant en carbone et en oxygène. C’est pourquoi ces deux éléments sont si abondants dans l’univers après l’hydrogène et l’hélium. En fait, l’oxygène est l’élément le plus courant sur Terre, bien que la plupart soit lié aux silicates qui forment le sol sous nos pieds.
Les étoiles les plus massives, huit fois la masse du Soleil, fusionnent des éléments encore plus lourds dans leurs noyaux. Surtout dans leurs dernières semaines, jours et même heures, elles créent de l’azote, du néon, du silicium, du soufre, du magnésium, du nickel, du chrome et du fer.
Nucléosynthèse ultérieure
C’est la fin de la ligne pour la formation des éléments à l’intérieur des étoiles. Leurs énergies intenses sont parfaitement capables de produire des éléments plus lourds, mais la fusion au-delà du fer consomme plus d’énergie qu’elle n’en produit. Ainsi, les éléments plus lourds que le fer apparaissent rarement dans les noyaux des étoiles massives. Le reste des éléments du tableau périodique est produit lorsque les étoiles meurent.
Les étoiles plus petites tournent lentement, rejetant leur matériau dans tout leur système stellaire. Plus grandes explosent dans de violents cataclysmes connus sous le nom de supernovae. Les deux types de décès laissent des restes. Dans le cas des petites étoiles, elles laissent des naines blanches, qui sont presque entièrement constituées de carbone et d’oxygène. Les étoiles plus grandes laissent derrière elles des sphères incroyablement denses de neutrons connues sous le nom d’étoiles à neutrons.
Quoi qu’il arrive, tous ces processus impliquent beaucoup de rayonnement, beaucoup d’énergie et de nombreuses particules volant à grande vitesse. En d’autres termes, la soupe parfaite pour façonner de nouveaux éléments. C’est à travers ces calamités que le reste du tableau périodique des éléments est né. Grâce à ces événements très intenses, les éléments se propagent au-delà des frontières de leurs étoiles natales, dans le mélange interstellaire. Là, ils s’agrègent en nuages de gaz, qui finissent par se rejoindre pour former de nouvelles générations d’étoiles qui continuent le processus de recyclage et de régénération des éléments, enrichissant lentement l’univers.
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