Les éléments légers
Les faits
Lorsque l'on scrute l'univers, on remarque qu' il se compose presque essentiellement d'hydrogène (H), qui représente 92% de la matière contenue dans cet univers, et d'Helium (He) qui représente 7% de cette même matière, et cela quelle que soit la direction de notre télescope. Les élements lourds, tels que le carbone, l'oxygène, ou encore le fer, ne représentent à eux tous que le 1% restant.
Or, on sait avec certitude que les étoiles n'ont fabriqué que le petit 1% des élements lourds,en particulier à la fin de leur vie, et pas les 99% de H et de He, elles sont incapables de les produire. En réalité si, mais en quantité infime. En effet, la chaleur reignant dans les étoiles est bien trop élevée pour que de simples atomes d'Hydrogène ou d'Helium y résistent, ils y sont agglomérés à d'autres atomes pour former des élements plus lourds. Ca pause même des problèmes ethymologique : Helios = Soleil...
On peut donc se poser la question : d'où vient cette énorme quantité d'hydrogène et, bien qu'en moindre quantité, d'helium ?
La solution
La théorie du big bang est la seule capable d'expliquer ce fait selon l'hypothèse de la nucléosynthèse primordiale.
Tout ce joue en 3 minutes, temps qu'il faut au big bang pour "fabriquer" ces noyaux d'H et d'He.
En effet, à partir des protons et neutrons présents depuis un temps de un cent millième de seconde après le début du big bang, commmence la formation des premiers atomes. Les neutrons, seuls, se lient autant qu'ils peuvent avec des protons sous l'effet de la force électroforte, celle-là même qui colle encore aujourd'hui les protons et neutrons dans le noyaux des atomes. Mais, lors de leur création, toutes ces particules n'ont pas été produites en même quantité : les protons sont beaucoup plus nombreux. Il reste donc, à la fin de ces regroupements, encore beaucoup de protons seuls, ce sont eux qui deviendront, et qui sont même déjà, des noyaux d'hydrogène. Les couples proton-neutron sont instables, peu d'entre eux survivront : le deutéron. Ils vont alors s'allier avec un autre couple de même nature, ce qui donne un noyau d'helium : deux protons + deux neutrons.
Et là, le processus s'arrête : la température, jusque là supérieure à 3000°C, decend en dessous de ce seuil limite, les noyaux, qui ont besoin de beaucoup d'énergie, donc par exemple de beaucoup de chaleur, ne peuvent plus changer. Ils ne retrouveront cette chaleur nécessaire à leur "agrandissement" qu'au sein des étoiles avec, en prime, le temps qui leur à fait défaut lors des uniques trois minutes durant lesquelles l'univers tout entier était suffisament chaud pour accueillir de telles réactions.
Évolution des concentrations relatives des éléments légers pendant la phase de nucléosynthèse primordiale du Big Bang.
Les neutrons disparaissent lentement suite à la fabrication des éléments légers.