L'origine des éléments de notre Univers

La nucléosynthèse, par définition, cela veut dire « création des noyaux atomiques ». La nucléosynthèse est l'ensemble de processus physiques conduisant à la synthèse de noyaux atomiques, par fission ou fusion nucléaire. Un atome est constitué de particules élémentaires plus petites (des électrons, des protons et des neutrons), mais il constitue la plus petite unité indivisible d'un élément chimique.

Il y a 3 voies de formation des noyaux de tous les corps de l'Univers qui correspondent à trois processus distincts :

• La nucléosynthèse primordiale.
• La nucléosynthèse stellaire, c’est le processus de spallation dans le gaz interstellaire.
• La nucléosynthèse primordiale qui a eu lieu durant les premières minutes de l'Univers, responsable de la formation des noyaux légers, principalement hélium (4He) qui combine 4 noyaux d'atomes d'hydrogène (4 protons) pour former un noyau d'atome d'hélium, mais également deutérium (D) et lithium (Li). Aucun élément plus gros que le lithium n'a été créé durant cette nucléosynthèse.

Le Big Bang il y a 13,7 milliards d'années. 15 minutes après le Big Bang, la nucléosynthèse primordiale est éteinte, l’Univers est complètement ionisé.

On a, comme prédominants, de l’hydrogène (3/4 de l’Univers) et de l’hélium (1/4 de l’Univers), avec, en plus, des traces de deuthérium, d’hélium3, de lithium7, et de bérylium7.

Mais la température baissant a rendu les fusions ultérieures impossibles (1 Million °K). L’univers est figé en composition, il y a en masse 25 % He et 75 % H, et en % atomes : H : 90% ; D : 0,001% ; He : 10% ; Li : 10-7 % ; Be : 10-9 %

Il faudra attendre des milliards d’années pour voir sa composition changer (légèrement).

La nucléosynthèse stellaire est le terme qui désigne l'ensemble des réactions de fusion nucléaire qui ont lieu à l'intérieur des étoiles et dont le résultat est la production de la plupart des noyaux atomiques. La nucléosynthèse stellaire se scinde en deux procédés :

Lors de leur existence, les étoiles créent une grande partie des éléments compris entre le lithium et le fer (voir au tableau périodique des éléments);

Lors de l'explosion des étoiles massives, une forme de nucléosynthèse explosive a lieu et produit la plupart des éléments plus lourds que le fer (voir au tableau périodique des éléments).

Le temps a passé depuis le Big Bang, les premières étoiles naissent, elles doivent se contenter de l'hydrogène et de l'hélium pour produire les autres éléments. L'étoile brûle ses constituants jusqu'à arriver à l'élément le plus stable de la création… le fer. Un autre phénomène va se mettre en route :

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 (entièrement transformé en hélium), l'hélium fusionne à son tour pour donner des éléments plus lourds, comme carbone, oxygène, néon...

Les forces dues à la gravité dépassent les forces électrostatiques qui luttent contre ; il y a démarrage des réactions thermonucléaires, les premières étoiles déclenchent en leur cœur des réactions de fusion nucléaire : c’est la nucléosynthèse stellaire.

L'hydrogène est le carburant majeur des étoiles et sa fusion est le premier maillon de la chaîne de nucléosynthèse. L’hydrogène brûle en donnant de l’hélium puis, d’autres réactions sont rendues possibles grâce à la température qui augmente.

Une fois l’hydrogène brûlé, le cœur de l'étoile est très chaud, cela autorise la transformation d'hélium en éléments plus lourds, la fusion de l’hélium en carbone (réaction triple alpha). ­Il y a de plus en plus contraction de la matière au centre.

La fusion du carbone s'amorce quand la température au cœur de l'étoile dépasse le milliard de kelvins, pouvant former du sodium, du néon ou du magnésium. Et les éléments sont crées petit à petit dans l’ordre de la table de Mendeleïev : les atomes d'oxygène fusionnent, produisant le phosphore et le silicium, puis on va voir apparaître lors de cette phase un grand nombre d'éléments, tels que le chlore, l'argon, le potassium, le calcium, le titane, etc...

Une fois l'oxygène épuisé, se termine la dernière phase de fusion d'éléments au cœur de l'étoile : la fusion du silicium, pour former tous les éléments jusqu'au fer.

L'étoile brûle tous ses constituants les uns après les autres : hydrogène, hélium, carbone, oxygène, néon, magnésium, silicium, jusqu’à produire du fer en son noyau et donc jusqu’à arriver au corps le plus stable de l’Univers : le fer. L’étoile est à la toute fin de sa vie, elle s'effondre alors sur elle-même en implosant, et devient supernova. C’est lors de cette explosion que tous les éléments plus lourds que le fer sont synthétisés, de nombreuses réactions de fusion et de fission partielle vont se produire et former les isotopes les plus lourds (comme le plomb, l'or, le platine, l'uranium, etc...).

Il existe un autre phénomène : le phénomène de spallation: la spallation cosmique (ou nucléosynthèse interstellaire), qui produit des éléments légers tels que le lithium et le bore, par bombardement de matière par des rayons cosmiques. La spallation est une réaction courante lors de la nucléosynthèse primordiale.

Les rayons cosmiques hautement énergétiques brisent les atomes de carbone, azote et oxygène en atomes plus petits (lithium : 6Li et 7Li, béryllium9, bore : 10B et 11B + hélium, hydrogène...). L'atmosphère terrestre subit des réactions de spallation nucléaire sous l'impact des rayons cosmiques.

Conclusion : 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.

Les éléments sont créés petit à petit dans l’ordre du tableau périodique des éléments de Mendeleïev, en commençant par l'hydrogène et l'hélium.