Nucleosynthese

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le proton. C’est le noyau de l’atome d’hydrogène. On le note

le noyau de l’hélium 3 est formé de 2 protons et 1 neutron

le neutron. On le note

le deutérium est formé de 1 proton et 1 neutron. On le note

le noyau de l’hélium 4 est formé de 2 protons et 2 neutrons.

On l’appelle aussi rayon ou particule “alpha”

le neutrino

le positron est une particule d’antimatière: un anti-électron chargé +1

Le cycle proton-proton

Notre univers aurait pu ne pas exister et on n'en saurait rien. Mais il existe et nous en sommes les témoins privilégiés et conscients. Tous les peuples à chaque époque ont produit des cosmogonies: des représentations du Monde. La science aussi se fait une image du monde et de son évolution: c'est l'objet de la cosmologie. Pour être pertinente, la cosmologie doit pouvoir expliquer l'existence des différentes structures naturelles que sont les galaxies, les étoiles, les planètes,... Mais aussi des particules, atomes et molécules qui les composent.

Abondance des éléments dans l’Univers

Il existe une centaine d'éléments chimiques dans notre Univers. On a pu les classer dans le tableau périodique des éléments. Comment expliquer leur existence? Comment expliquer leur abondance relative?

L'invention géniale du spectromètre a permis de déterminer la composition chimique de notre univers proche (Soleil) mais aussi et d'autres étoiles qui sont pourtant hors de notre portée à des milliards de milliards de kilomètres. La spectroscopie est une technique qui permet d'étudier le rayonnement, le spectre émis par la matière. Chaque élément émet un rayonnement, une lumière caractéristique qui permet de connaître la composition chimique d'objets très éloignés sans quitter la Terre.

Le résultat de cette analyse est reporté sur un tableau. Les éléments chimiques sont classés:

horizontalement par ordre croissant de numéro atomique (Z).

Plus on va vers la droite et plus les atomes sont gros.

verticalement selon leur abondance relative.

Plus l'élément est haut dans le tableau, plus il est abondant dans l'univers.

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La nucléosynthèse est une théorie qui permet d'expliquer la formation des différents éléments présents dans l'Univers ainsi que leurs proportions. «Nucléosynthèse» veut dire: «création des noyaux (nucleus en latin) atomiques». La nucléosynthèse permet de raconter l'histoire de la formation des noyaux et des atomes par fusion ou fission nucléaire.

La nucléosynthèse se passe en 3 temps:

La nucléosynthèse primordiale

Il y a environ 13,7 milliards d'années a lieu le Big Bang: c'est le début de l'Univers qui naît d'une concentration "infinie" d'énergie. L'Univers se dilate rapidement. Cette expansion de l'Univers s'accompagne d'un rapide refroidissement. La matière peut alors apparaître sous la forme de quarks d'abord, qui s'assemblent ensuite pour former des nucléons (protons et neutrons).

La nucléosynthèse stellaire

• cycle proton-proton

• cycle CNO

Les éléments chimiques

L'Univers en expansion se refroidit toujours. Mais il n'est pas homogène. La matière s'effondre sur elle-même en certains endroits sous l'effet de la force de gravitation, donnant naissance aux étoiles et aux galaxies. A l'origine d'une étoile il y a un nuage de gaz (formé à 90% d'hydrogène) qui se contracte. Les atomes se rapprochent et s'entrechoquent de plus en plus: la température augmente. Quand elle dépasse 10 millions de degrés (10 000 000 K) les noyaux d'hydrogène ont assez d'énergie pour fusionner. L'énergie libérée compense l'effet de la gravité, et l'étoile atteint un équilibre.

On aurait pu imaginer une courbe un peu moins compliquée du genre ...

Pour expliquer la courbe réelle en dents de scie, on fait appel à la nucléosynthèse.

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La nucléosynthèse primordiale (suite au Big Bang)

La nucléosynthèse stellaire (dans les étoiles)

La nucléosynthèse interstellaire (ou spallation cosmique)

La fusion des noyaux d’hydrogène produit des noyaux d’hélium selon 2 voies:

La nucléosynthèse interstellaire

L'univers existe depuis quelques secondes. Sa température a suffisamment baissé pour que les nucléons (protons et neutrons) s'assemblent à leur tour au cours de réactions de fusion nucléaire pour former les premiers noyaux: ceux des atomes les plus petits (H, He et Li).

2 quarks «u» et 1 quark «d» peuvent se lier pour former une construction très solide. La «colle» qui lie les quarks s’appelle gluon.

... ou «comment le chaos devient cosmos»

gluon

Ces 3 quarks «u, u, d» sont très solidement liés et forment un objet nouveau, avec des propriétés nouvelle: le proton.

De la même façon, 3 quarks «u, d, d» se lient pour former un neutron.

gluon

Après quelques minutes, l'univers est trop froid pour permettre la fusion des nucléons: l'histoire de la matière aurait pu s'arrêter là... et on n'en serait pas là pour en parler!