COSMOLOGIE
L'Univers primordial
Il se trouve que ces deux moments cruciaux dans l'histoire de l'Univers – équivalence matière-rayonnement et recombinaison – coïncident à peu près (un million d'années environ après le big bang, comparé à un âge actuel voisin de 15 milliards d'années). Ils marquent une coupure entre ce qu'il est convenu d'appeler l'Univers primordial (z > 1 000) et l'ère de la matière. Toutes les formes de matière et de structure que nous connaissons n'ont pris naissance que bien après la recombinaison. Néanmoins, le déroulement de l'Univers primordial est jalonné d'événements remarquables, déterminés par les conditions extrêmes de densité, de pression, de température, d'énergie régnant alors. Les astrophysiciens reconstituent le déroulement de l'Univers primordial sous le nom de ce qu'on appelle modèle de big bang.
L'Univers était alors baigné de rayonnement énergétique dominant sa dynamique, intimement lié à la matière. Aucune structure n'existait. Pas de galaxies, ni d'étoiles ou de planètes, ni la moindre molécule ou le moindre atome. Les atomes ne sont nés, comme nous l'avons déjà dit, qu'à la recombinaison. De fait, en remontant plus loin encore dans le passé, les structures de plus en plus élémentaires – les noyaux d'atomes, ou même les particules qui les constituent – n'existaient même pas. La fabrication des noyaux d'atomes les plus légers – la nucléosynthèse primordiale – est une étape des plus importantes.
La nucléosynthèse primordiale
Pendant ses trois premières minutes d'existence, l'Univers ne contient que des particules individuelles (on ne peut dire libres car la densité est si élevée qu'elles interagissent toutes entre elles ; néanmoins, elles ne sont pas liées dans des structures telles que des noyaux d'atomes) : essentiellement des neutrons, des protons et des électrons pour la matière, des photons et des neutrinos pour le rayonnement. Il n'existe donc aucun noyau d'élément chimique puisque ceux-ci sont des assemblages liés de nucléons (sauf bien entendu des noyaux d'hydrogène, qui se réduisent à un seul proton). Mais, dans des conditions favorables, neutrons et protons peuvent fusionner pour former des noyaux d'atomes. Or, les modèles de big bang prévoient justement que de telles conditions se sont rencontrées trois minutes environ après le big bang, à une température voisine du milliard de kelvins. Selon ces modèles, les nucléons isolés se seraient donc assemblés pour former les noyaux d'atomes les plus petits : ceux de deutérium, d'hélium et de lithium. Il se trouve que, précisément, les astronomes observent ces éléments dans l'Univers, avec les abondances prédites par ces modèles de nucléosynthèse primordiale ; bien plus, aucune autre explication ne peut en rendre compte : ces éléments ne peuvent, comme les éléments plus lourds (carbone, oxygène, fer...), avoir été fabriqués à l'intérieur des étoiles. Les modèles de big bang montrent ici leur validité. À vrai dire, les observations les plus récentes ont déclenché une controverse à propos de l'abondance du deutérium. Des résultats contradictoires ont été rapportés. Globalement en accord avec les modèles de big bang, ils en favorisent l'une et l'autre version. La question reste ouverte.
Les événements de l'Univers primordial
S'il n'y avait pas d'atomes avant la recombinaison, c'est que l'intense énergie régnante (sous forme de rayonnement par exemple) aurait aussitôt détruit tout atome présent. De même, avant la nucléosynthèse, l'énergie régnante aurait détruit tout noyau de deutérium. En remontant encore dans le temps, l'énergie augmente, atteignant des valeurs telles que les particules élémentaires elles-mêmes ne pouvaient[...]
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Écrit par
- Marc LACHIÈZE-REY : ancien élève de l'École nationale supérieure de la rue d'Ulm, docteur en physique, directeur de recherche émérite au CNRS
Classification
Médias
Structure de l'Univers
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Edwin Powell Hubble
The Observatories of the Carnegie Institution of Washington
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Encyclopædia Universalis France
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