C'est plus ou moins à ça que ressemblait la création de l'univers. Il y a eu une soupe de particules qui jaillissait de nulle part. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les tachyons ne sont pas les briques élémentaires de la matière ordinaire. Ces briques, ce sont les protons et les neutrons. Eux aussi sont composés de 2 types de quarks : les quarks up et les down. Les up ont une charge de 2/3 e, les down ont une charge de –1/3 e.
Comment sont constitués les protons et les neutrons ?
Le proton a 3 quarks en son ventre, 2 up et 1 down. Un peu de calcul simple vous permettrait d'y voir plus clair : 2/3 + 2/3 – 1/3 = 1 e. Donc le proton a une charge égale à 1 e. Par contre, le neutron, comme son nom l'indique, est neutre. Il contient 1 quark up et 2 down, ce qui nous fait : 2/3 – 1/3 – 1/3 = 0 e.
On sait, depuis 1938, que l'atome est composé d'un noyau et d'électrons qui tournent autour de lui. On sait aussi que l'atome est neutre, et que les porteurs de charges (les électrons) sont négatifs. Pour équilibrer l'équation, il faut que le noyau soit positif, alors les protons ont vu le jour. Sauf qu'à cette époque, on ne connaissait que 2 forces pour expliquer le monde : l'interaction électromagnétique (EM) et la gravité. On tentait alors de déchiffrer la cohésion du noyau à l'aide de ces deux forces, mais le résultat était un échec d'une ampleur aussi importante que les découvertes auxquelles cet échec va mener.
On a donc eu recours à 2 autres forces : la force forte, qui agit comme une super colle et maintient les protons ensemble, et la force faible, responsable de la radioactivité et qui organise l'interaction entre les quarks.
Tout ceci constitue le résumé des connaissances nécessaires pour comprendre la suite.
D'où viennent les éléments qui nous composent ?
La vraie question à laquelle nous allons répondre est : "d'où viennent tous les matériaux qui nous entourent, qui nous composent, et surtout qui composent l'écran devant vous ?".
Commençons par le commencement. Comme dit au début, l'univers à son origine ressemblait à une sorte de soupe de particules. Cette soupe était à la fois très dense et très chaude, avec une température avoisinant la température de Planck !
Au fur et à mesure que l'univers s'est mis à s'étendre, la matière s'est "diluée" dans l'espace et la température a commencé à chuter. Cela a permis, dans un premier temps, aux quarks de s'assembler en protons et neutrons. Ensuite, les photons se sont échappés de l'emprise des électrons et des protons (la fin de l'âge des ténèbres). Enfin, les électrons se sont attachés à des protons pour former le tout 1er atome de l'élément le plus basique : l'hydrogène !
Voilà le mystère de l'origine du gaz le plus léger élucidé. Mais il nous reste 117 éléments dont l'origine est à expliquer. Alors, par quels procédés cet hydrogène se transforme-t-il en éléments plus lourds ? La petite fée qui permet cette alchimie s'appelle la réaction thermonucléaire ou la nucléosynthèse.
Qu'est-ce que la nucléosynthèse ?
Mais c'est quoi ce machin dont je vous parle ? Et comment percevoir son effet sur nous ?
Revenons en 1914. À cette époque, il y avait 2 grands mystères dans notre monde sur lesquels un humble employé du bureau des brevets suisses travaillait : ce qui se passe dans les étoiles pour qu'elles rayonnent, et ce qui se passe dans la tête d'une femme. Einstein a résolu un de ces deux problèmes, celui des étoiles bien sûr. Il a démontré que la matière était capable de se transformer en énergie par plusieurs processus, et dans cet article, on s'intéresse à un seul : la réaction thermonucléaire.
Comment fonctionne la fusion nucléaire ?
Voici comment cela se passe : au cours de la naissance de l'étoile, la température en son cœur atteint, dans la plupart des cas, 10 millions de degrés. Cela excite les atomes d'hydrogène au point que les électrons se détachent des noyaux. Le noyau lui-même s'excite tant qu'il arrive qu'un proton se "heurte" à un électron, ce qui donne un neutron. Il arrive aussi qu'un neutron se "heurte" à un proton et que la force forte intervienne pour les coller fermement l'un contre l'autre. Cela nous donne un noyau d'un isotope de l'hydrogène appelé le deutérium. Et quand on y ajoute un autre neutron, ça nous donne du tritium.
Le plus intéressant, c'est ce qui se passe quand un noyau de deutérium et un noyau de tritium se rencontrent : cela forme un plus gros noyau de 3 neutrons et 2 protons. Ce noyau n'est pas encore stable, donc le 3ème neutron s'échappe. Cela nous donne finalement un noyau composé de 2 neutrons et 2 protons. Et oui, vous avez deviné juste, c'est un noyau d'hélium, un élément plus lourd que l'hydrogène !
De la matière à l'énergie
Ceux d'entre vous qui ont bien suivi le fil des idées savent que je devrais parler du processus qui transforme la matière en énergie. Eh bien, je viens de le faire : si on "pèse" la masse des constituants du noyau de l'hélium avant la fusion, et la masse du noyau de l'hélium lui-même, on constate une sorte de "masse manquante". Cette masse manquante s'est transformée en énergie (libérée sous forme de photons hyper énergétiques) selon la célèbre formule E=MC².
Comment se forment les éléments lourds ?
Et le reste des éléments, me diriez-vous ? C'est le même principe : les atomes d'hélium fusionnent avec l'hydrogène pour donner naissance au lithium, et le lithium fusionne avec l'hélium, etc.
Cependant, il est un peu tôt pour crier sur les toits que vous avez élucidé le secret de l'existence de tout ce qui est autour de vous, puisque ce n'est pas le cas ! La réaction thermonucléaire est très limitée. Elle s'arrête au fer, l'élément possédant le noyau le plus stable qui se refuse à la fusion avec d'autres noyaux dans des circonstances normales.
Sauf qu'il n'y a rien de normal en astrophysique. Alors, pourquoi cette réaction ferait-elle l'exception ?
Le rôle des supernovae
Il arrive parfois, rarement dans notre univers, qu'une étoile finisse sa vie en un grand feu d'artifice, couramment appelé supernova. Au cours de cette "explosion", des conditions ultimes de pression et de chaleur sont réunies. Cela fait que même le fer fusionne pour donner naissance aux éléments les plus lourds comme l'or, l'uranium, le rhodium, le francium, etc.
Cela nous permet d'expliquer la rareté de ces éléments sur Terre par la rareté du phénomène qui les produit, mais aussi par un autre phénomène : la radioactivité, qui dégrade les éléments les plus lourds en d'autres éléments moins lourds (généralement, les éléments plus lourds que le plomb sont radioactifs).
Quels sont les types de radioactivité ?
En deux mots, il existe 3 types de rayonnements manifestant la radioactivité :
- Le rayonnement alpha : il consiste en l'évacuation de 2 neutrons et 2 protons du noyau de l'atome. Cela réduit son numéro atomique et, par définition, son nombre de charge. Il y a donc moins de force de répulsion électrostatique entre les protons, ce qui résulte en la stabilisation du noyau.
- Le rayonnement bêta : il existe deux variantes. Le rayonnement bêta + a lieu lorsqu'un proton se transforme en un neutron par l'intermédiaire de l'émission d'un positron (un anti-électron, de charge positive). Le rayonnement bêta - consiste en la transformation d'un neutron en proton accompagnée par l'émission d'un électron.
- Le rayonnement gamma : c'est une onde EM dans la gamme Gamma émise par un noyau très excité, comme c'est le cas pour les déchets de la fission nucléaire de l'uranium.
Pour conclure, j'aimerais citer une parole d'un astrophysicien nommé Hubert Reeves :
"Nous sommes tous des poussières d'étoiles"
Article écrit par :
* Makni Rafik
À Sabrine et mes chers adhérents, et à tous ceux qui m'ont aidé pendant l'écriture de cet article.