Waterloo Astronomie

L'origine des atomes

 

 

Introduction

 

L’être humain s'est toujours posé la question sur son passé, sur son existence actuelle et son devenir.

Si on lui pose la question de quoi es-tu fait? Il vous répondra, de chair et de sang, de cellules, d'eau. D'autres vous répondront d'atomes. Mais les atomes d'où viennent-ils? Qui ou quoi les a conçu?

C'est ce à quoi nous allons tenter de répondre.

 

Pour essayer de comprendre, il nous faudra remonter loin dans le temps. Aborder des sujets tel que la nucléosynthèse,  nous plonger au cœur des étoiles. Un voyage passionnant qui remonte à l'aube des temps, à la naissance de l'Univers.

 

1. La nucléosynthèse primordiale (création des premiers noyaux atomiques)

 

A l'origine, il y a eu l'événement créateur de l'Univers : le Bigbang

Ce déferlement d'énergie, de chaleur, de particules qui eu lieu il y a près de 13,7 milliards d'années,  donna naissance aux plus petites parties de notre corps, les atomes. Tout commença lorsque notre Univers fût infiniment petit, très dense et donc très chaud et en expansion.  La température y avoisine les 100 milliards de degrés. [1] Dans cette « soupe primordiale » se côtoient quarks, électrons, neutrinos et photons très énergétiques ainsi que les antiparticules[2].  Les quarks, qui sont les composants des protons et des neutrons, et donc les composants des noyaux des atomes, s’associent 3 par 3. Mais les températures extrêmes empêchent toute association proton - neutron. Nous sommes à un dix millionièmes de secondes après le Bigbang.

 

Les quarks[3] :

 

Actuellement les quarks sont les composants « ultimes » des noyaux atomiques. Jusqu'à ce que les accélérateurs de particules en découvrent d'autres.   Ils sont au nombre de 6.

 

Nom du quark  et de sa fraction de charge électrique élémentaire:

 

 Down  -1/3 ,  Up  +2/3,  Strange  -1/3,  Charm  +2/3, Bottom -1/3, Top  +2/3 .

 

!!!! Avant de continuer, il est utile de préciser que le proton a une charge électrique de 1,602×10^-19  C (Coulomb) et le neutron de 0.

 

Ainsi le proton est formé de deux quarks up et d'un seul quark down. Sa charge électrique est de : 2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 soit +1.
Le neutron est composé de deux quarks down et d'un seul quark up. Sa charge électrique est de: 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0/3 soit 0.

Les quarks sont reliés entre eux par une interaction forte. Cette force est la même que celle qui lie les protons aux neutrons.

 

Le proton est aussi appelé protium ou ion H+, c'est à dire qu'il est dépourvu d'électrons.[4]

 

Voyons maintenant plus en détail la création des premiers noyaux :

 

L'Univers a maintenant 1 minute, et la température est assez basse (1 milliard de degrés) pour que les premiers noyaux se forment.  Étant donné la température, seuls des noyaux légers se forment.

 

 

Illustration 1: Formation des premiers noyaux atomiques (Illustration tirée de Wikipédia).

L'association d'un proton (p) et d'un neutron (n) donne  un noyau deutérium D et un photon (γ). Après le noyau de deutérium, ce fut au noyau de tritium, puis à celui de l'hélium, du lithium et du béryllium d’apparaître.

 

Après la formation des premiers noyaux atomiques, la matière se refroidit. A ce moment, l’Univers [5]est opaque à cause des radiations très importantes. Les radiations sont constamment absorbées et réémises par les particules, notamment les électrons.

Puis pendant une période relativement longue, environ 380000 ans, il ne se passa plus rien. Le temps que la température descende aux alentours de 3000 ° K. C'est à ce moment là que les noyaux atomiques s'associeront avec les électrons pour former les premiers atomes.[6]Les photons,  devenant peu énergétiques, ne sont plus captés par les atomes.  Ils sont libres de se mouvoir n’importe où.  L’Univers devient alors transparent.[7]  

 

De nos jours, les instruments captent ce résidu sous forme d’un rayonnement micro-onde. C’est le fond cosmologique[8].

 

Après l'association noyaux – électrons, l'Univers comprenait 75% d'hydrogène et 24 % d'hélium, et 1% d'autres noyaux légers. La synthèse des premiers atomes est arrivée à son terme.

 

Les atomes plus complexes seront formés dans les étoiles. Cela  fera l’objet de notre prochain point.

 

 

Pré-conclusion

 

Les premiers noyaux atomes furent créés voici 13,7 milliards d'année lors de la naissance de l'Univers à des températures extrêmement élevées. L’association des quarks a permis la formation des protons et neutrons. Ensuite ces deux composants de la matière se sont associés afin de créer les premiers noyaux atomiques. Viendront ensuite s’adjoindre les électrons afin de former les premiers atomes de notre Univers.