Introduction texte intégral
Généalogie de la matière

Roland Lehoucq
Astrophysicien au Commissariat à l’énergie atomique (CEA) de Saclay

Pourquoi les étoiles brillent-elles ? De quel feu brillent-elles ? Quel message nous envoie leur lumière ? Lorsque Hernan Cortès demanda aux Aztèques d’où venait le fer de leurs poignards, ils lui montrèrent le ciel. Ils avaient raison : c’est bien dans les étoiles que se fabrique le fer, comme tous les autres atomes dont sont faites les choses. Cette série de cours va nous plonger dans le creuset de l’alchimie stellaire. Comment expliquer la variété et la répartition des atomes ? Quand et comment ont-ils été formés ? Le secret des secrets n’est plus la fabrication de l’or mais l’émergence de toute la matière, dans les débris des étoiles explosées.

Les atomes, pièces élémentaires du mécano de la nature, sont au cœur de la matière. L’immense variété de densités, de propriétés chimiques, de couleurs ou de textures des choses qui nous entourent peut être expliquée avec un petit nombre d’atomes, 92 très exactement. Comme les pièces de mécano, ils sont rangés dans une boîte, construite par le chimiste russe Dimitri Mendeleïev à la fin du XIXe siècle, nommée « classification périodique ». Les atomes, formés d’un noyau de protons et de neutrons autour duquel se meuvent des électrons, y sont rangés en fonction croissante du nombre de leurs électrons. La démographie atomique a aussi son importance : dans la nature, tous les atomes ne sont pas présents dans les mêmes proportions. Si les métaux précieux, comme l’or, l’argent ou le platine, sont plutôt rares, les éléments vitaux, comme le carbone, l’azote et l’oxygène sont en revanche très abondants. La répartition terrestre n’est cependant pas représentative de celle qui prévaut dans l’univers. Ainsi, dans le Soleil, les atomes autres que l’hydrogène et l’hélium ne représentent que 2 % de la masse de notre étoile.

Les atomes n’ont pas toujours été présents. Il y a environ 13,7 milliards d’années, il n’y avait guère que des photons, des protons, des neutrons et des électrons. L’expansion de l’univers refroidit ce gaz très chaud autorisant la combinaison stable de protons et de neutrons : les premiers noyaux atomiques, deutérium et hélium, apparaissent. Cette période de nucléosynthèse cesse en quelques minutes ne laissant sur le terrain que les noyaux les plus légers. Pour construire des noyaux plus lourds (c’est-à-dire ayant un plus grand nombre de protons et de neutrons) il faut recréer ces conditions favorables et accorder beaucoup plus de temps aux réactions nucléaires.

C’est au cœur des étoiles, réacteurs nucléaires à confinement gravitationnel, que se situe le creuset des noyaux plus légers que le fer. Les étoiles les plus massives, en explosant violemment, éjectent à grande vitesse leurs produits de nucléosynthèse. Petit à petit, ces supernovae enrichissent le milieu interstellaire en noyaux lourds qui entreront dans la composition des futures étoiles. Absents au début de l’univers, ils représentent désormais 2 % de la masse de matière lumineuse : notre Univers est encore très jeune du point de vue de son évolution nucléaire. Sans la nucléosynthèse stellaire et les supernovae, l’univers serait un endroit fort peu intéressant ne contenant que les deux éléments primordiaux, l’hydrogène et l’hélium.