L'abondance des éléments chimiques légers
Un indice de plus pour la matière noire










La théorie de la synthèse nucléaire primordiale présente une autre retombée importante. Elle conforte l’idée que le cosmos serait dominé par une majorité de matière noire exotique. La substance ordinaire que nous connaissons ne compterait que pour 4,5% de l’Univers.

La synthèse primordiale, avec ses réactions nucléaires explosives, apporte une foule de renseignements sur le contenu du cosmos. Notamment : 4,5% de la densité de l’Univers ­ seulement ! - proviendrait de la matière ordinaire semblable à ce que nous connaissons sur Terre. Cette conclusion découle de l’étude du rythme des réactions de fusion thermonucléaire. Plus la densité de matière était importante, plus le processus était efficace.

Certes, elle vient d’être devancée par l’étude des fluctuations du rayonnement cosmologique fossile. Mais jusqu’à ces dernières années, la nucléosynthèse primordiale a apporté des informations précieuses sur les propriétés de l’Univers. Les physiciens ont ainsi confirmé qu’il existe trois familles de particules sensibles aux interactions faibles : les neutrinos sont ainsi associés à l’électron et aux particules «mu» ou «tau». Surtout, l’analyse des espèces chimiques minoritaires a permis de cibler quelle devait être la densité de matière ordinaire, c’est-à-dire le nombre de «baryons» (neutrons, protons ou noyaux atomiques), sensibles à l’interaction forte lors du big bang. Ceci apporte une contrainte forte sur la composition et l’évolution du cosmos. Les abondances de «l’hydrogène lourd» (deutérium, D ou 2H), de l’hélium-3 (3He) et du lithium-7 (7Li) indiquent que l’Univers renferme entre 1 et 10% de matière ordinaire seulement. La valeur précise avoisine 4,5%. Conclusion : «l’Univers doit être envahi par une majorité ­ plus de 95% -  de matière noire exotique (dite «non baryonique») et d’une mystérieuse énergie noire répulsive», explique Alain Coc. «Toutes deux sont invisibles à nos yeux et encore indécelées par nos détecteurs… Enfin, seulement un dixième de la minorité de matière habituelle brille  : nous ne voyons dans nos télescopes que quelques millièmes du contenu de l‘Univers ! » Incitation à l’humilité. Ces valeurs de la densité de matière ordinaire sont obtenues en comparant les abondances d’éléments légers calculées et observées.

Le premier indice provient de l’hydrogène lourd. Ce noyau un peu plus massif que l’hydrogène classique est aussi fragile. Car les réactions de fusion au cœur des étoiles, telles que le Soleil, le détruisent. Il brûle à la température d’un million de degrés. En conséquence, le deutérium s’amenuise. C’est le premier noyau brûlé par les étoiles dans leur prime jeunesse, avant même que l’hydrogène traditionnel (1H) assure le relais. Cependant, quelques résidus persistent dans les nuages de gaz qui s’étendent entre les étoiles de la Galaxie, dans l’atmosphère de la planète géante Jupiter ou les océans terrestres. D’autre part, les observations conduites par le télescope Keck de 10 mètres à Hawaï ont confirmé qu’il était jadis plus abondant dans les nuages qui flottent entre les quasars lointains de l’Univers. Au bout du compte, on estime la quantité de deutérium présent avant l’apparition de la Voie lactée. Réponse : environ 0,003% de l’hydrogène total.

Autre signe : le lithium. Cet élément léger minoritaire est produit à la fois par le big bang, par les rayons cosmiques dans les nuages interstellaires et par les étoiles évoluées ou les novae éruptives. Il est également détruit par la chaleur des étoiles. Cependant, sa composante primordiale serait toujours présente à l’état de trace dans l’atmosphère de certaines étoiles âgées du halo extérieur de la Galaxie. Son abondance peut être estimée par ce biais. C’est ainsi que François et Monique Spite, de l’observatoire de Meudon, ont découvert que sa faible teneur parmi les étoiles anciennes de la Voie lactée, quel que soit leur âge précis, s’avère remarquablement constante. De nombreuses observations ont, depuis, confirmé ce fait. Et un colloque de l’Union astronomique internationale, tenu du 23 au 27 mai 2005, à Paris, a rendu hommage à ces travaux pionniers. Du coup, on en déduit que l’on observe ici le lithium primordial non altéré.

Ces résultats favorisent, aussi, l’idée que la matière classique a peu pesé sur le destin du cosmos. La matière sombre exotique, notamment, domine. Sa nature précise reste un pur mystère. Cette masse cachée se manifeste par l’interaction faible et l’attraction de sa gravité à grande échelle. Reste que le cosmos contient aussi une faible quantité de matière «baryonique» classique. Mais seulement 10% en a été aperçu dans les galaxies et les étoiles. Le reste résiderait, par exemple, dans des nuages d’hydrogène froid non encore décelés.