Sciences

Pourquoi l’hydrogène et l’hélium sont-ils les éléments les plus communs de l’Univers?

Temps de lecture : 2 min

Il s'agit avant tout d'une question de temps et d'énergie.

Tout se joue dans la première fraction de seconde de l’existence de l’Univers. | Geralt via Pixabay
Tout se joue dans la première fraction de seconde de l’existence de l’Univers. | Geralt via Pixabay

Cet article est publié en partenariat avec Quora, plateforme sur laquelle les internautes peuvent poser des questions et où d'autres, spécialistes du sujet, leur répondent.

La question du jour: «Pour quelle raison l’hydrogène et l’hélium sont-ils les éléments les plus abondants dans l’Univers?»

La réponse de Viktor T. Toth, pro de l’informatique, physicien à temps partiel:

Les atomes d’hydrogène sont juste des protons. Les protons sont les seules particules composites stables pouvant être formées à partir de quarks. Ainsi, dès que l’Univers primordial est suffisamment froid pour que les quarks soient dans un état lié, vous obtenez beaucoup de protons, c’est-à-dire beaucoup d’hydrogène.

Mais pas seulement des protons. Il y a toujours un important excédent d’énergie disponible, si bien que des neutrons, qui ont besoin d’un peu plus d’énergie que les protons, se forment également. Les neutrons libres sont instables: leur demi-vie (aussi appelée période radioactive) est d’environ dix minutes, mais cela semble presque une éternité étant donné que l’on parle toujours de la première fraction de seconde de l’existence de l’Univers.

Ces protons et neutrons rebondissent les uns contre les autres et s’accrochent parfois les uns aux autres. Voici une analogie grossière, mais applicable: prenez plusieurs balles en caoutchouc dur, appliquez de l’adhésif à leur surface et placez-les dans une grande boîte. Si vous secouez la boîte avec vigueur, les balles rebondiront, qu’elles soient collantes ou non. Mais si vous la secouez doucement, elles se colleront les unes aux autres et resteront accrochées. Parfois, vous verrez des paires ou des trios de balles rebondir doucement comme un tout, sans se séparer.

Il se passe la même chose lorsqu’un proton et un neutron se fixent l’un à l’autre pour former un atome de deutérium, ou lorsque deux atomes de deutérium s’accrochent pour former un atome d’hélium. Ces deux réactions libèrent de l’énergie, si bien que les atomes qui en résultent sont assez stables. Il faudrait beaucoup d’énergie pour les séparer et il n’y a pas tant d’énergie supplémentaire disponible, puisque l’Univers refroidit rapidement et que les atomes rebondissent plus doucement qu’avant.

Produits instables

Un problème se pose alors. Une autre fusion entre un atome d’hélium et un atome de deutérium est par exemple impossible, car les produits de la fusion sont très instables. Il faut investir de l’énergie dans ces processus de fusion et l’énergie est presque immédiatement libérée lorsque le produit de la fusion se sépare à nouveau.

Les étoiles surmontent cela via la célèbre réaction triple alpha, qui permet à trois atomes d’hélium de se mêler pour former des atomes de carbone stables et libérer l’énergie. Néanmoins, ce processus est lent et il n’y a tout simplement pas assez de temps dans l’Univers primordial pour que cela se produise.

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Et c'est ainsi que nous nous retrouvons coincés avec l’hydrogène, le deutérium, l’hélium et des traces d’autres éléments légers. Tout le reste du tableau périodique vient plus tard –et même bien plus tard–, puisque les éléments les plus lourds se forment dans les grosses étoiles, les explosions supernova, les fusions d’étoiles à neutrons et d’autres processus.

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