Trois minutes pour faire l'hydrogène et l'hélium

3 à 20 minutes

Un compte à rebours

Au terme du chapitre précédent, l'Univers a une seconde. Sa température est d'environ 1 MeV, soit quelque 10¹⁰ K, et les interactions faibles, qui transformaient sans cesse des neutrons en protons et des protons en neutrons, viennent de perdre leur course contre l'expansion : elles se produisent désormais trop rarement pour maintenir l'équilibre, et le rapport entre les deux particules s'est figé autour d'un neutron pour six protons fields2014pdg(→ chap. 4). Le bain contient ces protons et ces neutrons, des électrons, un océan de photons, et des neutrinos qui ne touchent plus à rien. Il ne contient encore aucun noyau composé. Chaque proton isolé est déjà, à lui seul, un noyau d'hydrogène ; ce que les vingt minutes suivantes vont décider, c'est combien de protons resteront seuls, et ce que deviendront les autres¹.

Le gel a figé les échanges, pas les neutrons. Un neutron libre est instable : il se désintègre en proton, avec une durée de vie d'environ quinze minutes wiki-bbn. Tant que les interactions faibles maintenaient l'équilibre, ces désintégrations étaient compensées par les conversions inverses, de proton en neutron. Après le gel, la compensation cesse. Il ne reste qu'un flux à sens unique, des neutrons vers les protons, et ce flux ne s'arrêtera que pour les neutrons qui auront trouvé refuge dans un noyau, où ils cessent de se désintégrer². Or les noyaux ne se forment pas encore, et ne se formeront pas avant environ trois minutes.

Un compte à rebours commence donc dès la première seconde. Chaque minute, une fraction des neutrons restants disparaît. Quand les réactions nucléaires commencent enfin, le rapport est tombé à environ un neutron pour sept protons fields2014pdg. Le chapitre précédent a vérifié l'ordre de grandeur : passer d'un pour six à un pour sept revient à perdre à peu près un neutron sur huit, ce que la désintégration accomplit en deux minutes environ (→ chap. 4). Le « un pour sept » n'a donc rien d'une constante de la nature. Il appartient à l'axe du temps : c'est la valeur qu'affiche le compte à rebours à l'instant où la fusion l'interrompt, et une fusion plus précoce ou plus tardive aurait arrêté l'aiguille ailleurs.

Cette dépendance au moment fait du rapport final l'enregistrement d'une course. D'un côté, la désintégration grignote les neutrons à un rythme fixé par leur durée de vie ; de l'autre, le refroidissement de l'Univers rapproche l'instant où ils pourront se réfugier dans des noyaux. Un univers qui aurait refroidi plus lentement aurait laissé plus de temps aux neutrons pour disparaître ; un univers plus rapide en aurait sauvé davantage. Toute la chimie de départ de l'Univers, on va le voir, découle du résultat de cette course.

Une confusion fréquente doit être écartée d'emblée. Le rapport entre neutrons et protons ne se fixe pas « à trois minutes » : il se fixe vers une seconde, au gel, et ne fait ensuite que décroître par désintégration. Ce qui attend trois minutes, c'est la fusion fields2014pdg. Le chapitre doit donc expliquer quatre choses : pourquoi la fusion attend, où vont les neutrons quand elle commence, pourquoi elle s'arrête si tôt dans le tableau des éléments, et comment on sait que ce récit est juste.

Le goulot du deutérium

Le premier noyau composé à se former est le plus simple : le deutérium, un proton et un neutron liés ensemble, qu'on appelle aussi hydrogène lourd. Il est un passage obligé. Pour fabriquer de l'hélium, qui compte quatre nucléons (deux protons et deux neutrons), il faudrait sinon que quatre particules se rencontrent au même instant, et une telle rencontre est exclue dans les conditions de l'époque, où seules les réactions entre deux particules comptent fields2014pdg. La chaîne doit donc monter marche par marche, et la première marche est la réunion d'un proton et d'un neutron en deutérium.

Cette marche est fragile. Un noyau tient parce que ses constituants, une fois réunis, ont moins d'énergie que séparés ; la différence s'appelle l'énergie de liaison, et c'est aussi l'énergie qu'il faut fournir pour casser le noyau. Celle du deutérium vaut 2,23 MeV fields2014pdg. Un photon qui porte plus de 2,23 MeV et qui frappe un deutérium le brise en un proton et un neutron. À première vue, le deutérium devrait donc survivre dès que la température descend sous 2,23 MeV, c'est-à-dire avant même le gel des neutrons, puisque le gel a lieu vers 1 MeV. Il n'en est rien : le deutérium ne tient qu'à partir d'environ 0,1 MeV, soit une température vingt fois plus basse, vers 10⁹ K³ fields2014pdg.

L'écart tient au nombre des photons. Il y en a environ un milliard par baryon, c'est-à-dire par proton ou neutron fields2014pdg. La température mesure l'énergie typique d'un photon, mais les énergies sont étalées autour de cette moyenne, et une petite fraction des photons en porte beaucoup plus⁴. Quand la température vaut 0,5 MeV, les photons capables de casser un deutérium ne sont qu'une infime minorité ; mais une infime minorité d'un milliard reste une foule, et chaque deutérium qui se forme en rencontre aussitôt un. Le deutérium naît, et il est cassé presque aussitôt, encore et encore. Le PDG formule le critère exactement : les noyaux ne survivent que lorsque le nombre de photons assez énergiques par baryon passe sous l'unité, et cela n'arrive que vers 0,1 MeV fields2014pdg. C'est ce qu'on appelle le « goulot du deutérium ».

Un calcul d'ordre de grandeur retrouve cette température. La fraction des photons d'énergie supérieure à 2,23 MeV décroît à peu près comme une exponentielle du rapport entre 2,23 MeV et la température. Multipliée par le nombre de photons par baryon, environ 1,6 milliard, elle tombe sous l'unité quand ce rapport dépasse une vingtaine, c'est-à-dire quand la température descend vers 0,1 MeV⁵. Le goulot tient donc à l'abondance des photons plus qu'à leur énergie moyenne : il faut que la queue de leur distribution soit devenue trop mince pour qu'un milliard de photons fournissent encore, à chaque baryon, un briseur.

Ce calcul montre aussi par où entre le seul paramètre cosmologique de l'histoire. Le nombre de photons par baryon est l'inverse du rapport baryons/photons, noté η, dont le chapitre précédent a raconté l'origine : un léger excès de matière sur l'antimatière, rescapé de l'annihilation (→ chap. 4). Plus η est grand, moins il y a de photons par baryon, et plus le goulot s'ouvre tôt⁶. L'excès de matière né dans la soupe décide ainsi du moment où la fusion peut commencer, et donc du temps accordé aux neutrons pour mourir.

Quand le goulot s'ouvre, l'Univers a changé de nature. Sa densité est déjà faible, « comparable à celle de l'air », et seules les réactions à deux corps comptent fields2014pdg. Il faut prendre la mesure de cette image. La fabrique des premiers noyaux n'a rien d'un cœur d'étoile comprimé ; c'est un gaz ténu, très chaud, qui refroidit et se dilate à vue d'œil. Deux noyaux s'y rencontrent assez souvent pour réagir ; trois noyaux au même point, presque jamais. Cette contrainte, anodine en apparence, décidera de l'endroit où la chaîne s'arrête.

Le travail se fait ensuite vite. Les abondances du deutérium, de l'hélium 3, de l'hélium 4 et du lithium 7 sont pour l'essentiel fixées vers 180 secondes fields2014pdg. Les minutes suivantes ne font plus que des retouches, dans un gaz qui s'appauvrit en énergie et en densité, jusqu'à ce que vers vingt minutes la température et la densité deviennent trop basses pour toute fusion significative wiki-bbn. C'est l'origine de la fenêtre qu'on donne d'ordinaire à la nucléosynthèse primordiale, de 3 à 20 minutes wiki-chrono.

Le refuge dans l'hélium

Dès que le deutérium survit, il ne reste pas longtemps deutérium. Par une courte série de réactions à deux corps, il est converti en noyaux plus lourds, et la chaîne aboutit au noyau le plus stable de tous ceux qui sont alors accessibles : l'hélium 4, deux protons et deux neutrons fields2014pdg⁷. Presque tous les neutrons survivants finissent dans ce noyau fields2014pdg. Pour eux, le compte à rebours s'arrête : enfermés dans l'hélium, ils ne se désintègrent plus.

Il suffit alors de compter. Prenons seize nucléons, dans le rapport d'un neutron pour sept protons : deux neutrons et quatorze protons. Les deux neutrons s'associent à deux protons pour former un noyau d'hélium. Ce noyau contient quatre nucléons sur seize, soit un quart de la masse, puisque le neutron et le proton pèsent presque exactement le même poids⁸. Les douze protons restants demeurent seuls : ce sont douze noyaux d'hydrogène, qui portent les trois autres quarts de la masse. La fraction de la masse sous forme d'hélium, notée Yp, vaut ainsi environ 0,25 fields2014pdg⁹. C'est tout le calcul, et il répond à la première moitié de la question du chapitre : l'Univers est fait d'hydrogène et d'hélium dans la proportion de trois pour un, en masse, parce qu'un neutron sur huit nucléons avait survécu quand la fusion a commencé, et que chacun de ces neutrons a entraîné un proton avec lui dans l'hélium.

En nombre d'atomes, le tableau est encore plus déséquilibré. Pour un noyau d'hélium, il y a douze noyaux d'hydrogène : l'hélium ne représente qu'environ un atome sur treize, soit à peu près 8 % wiki-bbn¹⁰. L'écart entre le quart de la masse et le douzième des atomes vient de ce qu'un noyau d'hélium pèse quatre fois plus lourd qu'un noyau d'hydrogène. Plus de neuf atomes sur dix, à la sortie de cette fabrique, sont de l'hydrogène.

Ce résultat a une propriété qui fait sa force : il dépend très peu des taux des réactions nucléaires fields2014pdg. La raison tient à la forme du raisonnement qu'on vient de faire. Les taux de réaction disent à quelle vitesse les neutrons passent du deutérium à l'hélium ; ils ne disent pas où ils finissent. Puisque l'hélium 4 est le cul-de-sac de la chaîne, et que presque tous les neutrons y aboutissent, le résultat final ne dépend que du nombre de neutrons disponibles à l'ouverture du goulot. Une réaction deux fois plus rapide ou deux fois plus lente changerait le chemin, presque pas l'arrivée.

Le nombre de neutrons disponibles, lui, dépend de deux choses : de la température du gel, qui a fixé le rapport de départ à un pour six, et du temps écoulé avant l'ouverture du goulot, pendant lequel les neutrons se sont désintégrés. Le premier facteur engage l'interaction faible et le taux d'expansion ; le second engage la durée de vie du neutron. C'est pourquoi, parmi toutes les grandeurs mesurées en laboratoire qui entrent dans le calcul, celle qui pèse le plus sur l'hélium est la durée de vie du neutron fields2014pdg. Le rapport baryons/photons η, qui déplace un peu l'ouverture du goulot, n'agit sur l'hélium que par ce biais, et faiblement¹¹.

L'hélium primordial est donc une grandeur d'un genre particulier. Il ne mesure presque rien de la physique nucléaire des trois minutes ; il mesure ce qui s'est passé pendant la première seconde et dans les minutes d'attente, c'est-à-dire la vitesse de l'expansion d'alors et l'horloge du neutron. L'hélium de l'Univers est un recensement des neutrons qui ont survécu, et c'est pour cette raison qu'il servira, plus loin dans ce chapitre, à compter des particules qu'on n'a jamais vues.

Deux marches manquantes

Une fois l'hélium 4 formé, la suite naturelle serait d'y ajouter une particule de plus : un neutron, un proton, ou un autre noyau d'hélium. Ces trois fusions mèneraient à des noyaux de masse 5 (quatre nucléons plus un) ou de masse 8 (deux fois quatre). Or il n'existe dans la nature aucun noyau stable de masse 5, ni de masse 8 fields2014pdg. Les fusions de l'hélium 4 avec un neutron, avec un proton ou avec un autre hélium 4 ne mènent donc nulle part : le noyau qu'elles formeraient ne tient pas¹². Dans l'escalier des masses, deux marches manquent, précisément là où la chaîne en aurait le plus besoin, puisque l'hélium 4 est de loin le noyau le plus abondant.

Restent les chemins de traverse : réunir l'hélium 4 non plus avec une particule isolée ou avec un autre hélium 4, mais avec l'un des noyaux intermédiaires plus rares, pour sauter directement à la masse 6 ou 7. Ces réactions existent, mais elles se heurtent à un second obstacle, la barrière coulombienne fields2014pdg. Tous les noyaux portent une charge électrique positive, et deux charges de même signe se repoussent ; pour fusionner, deux noyaux doivent s'approcher assez près pour que la force nucléaire, qui ne porte qu'à très courte distance, l'emporte sur cette répulsion. Plus les noyaux sont chargés, plus la barrière est haute, et plus il faut d'énergie pour la franchir¹³. Dans un gaz qui refroidit de minute en minute, de moins en moins de noyaux ont l'énergie nécessaire. Le goulot a retardé la fusion jusqu'à une époque où l'Univers est déjà trop froid et trop dilué pour la mener loin.

La chaîne s'arrête donc presque entièrement à l'hélium 4, et ne laisse au-delà que des traces. Le deutérium et l'hélium 3 (deux protons et un neutron), les intermédiaires qui n'ont pas été entièrement convertis, subsistent à hauteur de quelques 10⁻⁵ par rapport à l'hydrogène, quelques atomes pour cent mille. Le lithium 7 (trois protons et quatre neutrons) n'atteint qu'environ 10⁻¹⁰, un atome pour dix milliards fields2014pdg.

Ce lithium a une histoire particulière. Il n'est pas fabriqué, pour l'essentiel, sous sa propre forme. Il naît surtout sous forme de béryllium 7 (quatre protons et trois neutrons), par la réaction notée ³He(⁴He,γ)⁷Be : un noyau d'hélium 3 capture un noyau d'hélium 4, et le surplus d'énergie s'échappe sous forme d'un photon, noté γ fields2014pdg¹⁴. Ce béryllium 7 est instable : il se désintègre ensuite en lithium 7 wiki-bbn. Il faut donc se garder de dire que la nucléosynthèse primordiale fabrique les éléments « jusqu'au béryllium » : le béryllium qu'elle produit n'est qu'une forme transitoire du lithium, et l'Univers qui sort de ces minutes ne contient, au-delà des traces de lithium, rien de plus lourd en quantité notable.

Au total, les abondances prédites s'étendent sur neuf ordres de grandeur fields2014pdg. En haut de l'échelle, l'hélium 4, un quart de la masse. Plus bas, le deutérium et l'hélium 3, quelques cent-millièmes de l'hydrogène. Tout en bas, le lithium 7, un dix-milliardième. Qu'un même calcul donne chacun de ces nombres, et que les observations les retrouvent, est le cœur de l'argument de la section suivante.

Vers vingt minutes, la fabrique ferme : la température et la densité sont devenues trop basses pour toute fusion significative wiki-bbn. Le carbone, l'oxygène, le fer devront attendre. Les éléments de masse 12 et plus ne sont pas produits pendant le Big Bang, mais à l'intérieur des étoiles, et la raison tient à la nature de la réaction qui franchit l'obstacle de la masse 8 Kobayashi 2020. Dans une étoile, l'hélium fusionne en carbone par la réaction dite triple alpha : trois noyaux d'hélium donnent un noyau de carbone, en passant par le béryllium 8, le noyau instable de masse 8 wiki-stellarnuc. Cette voie exige qu'un troisième noyau d'hélium arrive pendant la brève existence du béryllium 8 : c'est en pratique une rencontre à trois. Dans le gaz de la vingtième minute, aussi dilué que de l'air et où seules les rencontres à deux comptent, elle n'a aucune chance de se produire à l'échelle requise¹⁵. Les éléments au-delà du lithium seront forgés dans les premières étoiles et dans leurs explosions, des centaines de millions d'années plus tard Klessen 2023(→ chap. 9)(→ chap. 12).

Un calcul sans paramètre libre

Il faut maintenant dire ce qui entre dans le calcul, pour mesurer ce qu'il en sort. Entrent d'abord des grandeurs de laboratoire : l'écart de masse entre neutron et proton, les taux de l'interaction faible, la durée de vie du neutron, les probabilités des réactions nucléaires entre noyaux légers, mesurées dans des accélérateurs. Entre ensuite le nombre d'espèces de particules légères présentes dans le bain, qui fixe le taux d'expansion ; dans le modèle standard, ce sont les photons, les électrons et trois espèces de neutrinos. Entre enfin un seul nombre cosmologique : le rapport baryons/photons η Fields 2020fields2014pdg. Dans le modèle standard, la nucléosynthèse ne dépend que de ce paramètre Fields 2020.

Pendant longtemps, η devait être tiré des abondances elles-mêmes : on ajustait sa valeur pour que le calcul reproduise le deutérium mesuré, puis on vérifiait les autres éléments. La théorie avait ainsi un bouton à régler. Ce n'est plus le cas, parce que le fond diffus cosmologique, la lumière libérée quelque 380 000 ans plus tard (→ chap. 6), mesure η de façon indépendante, par la manière dont les baryons pèsent sur les ondes sonores du plasma primordial Fields 2020. Le satellite Planck donne η = (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰ Fields 2020. Avec cette valeur imposée de l'extérieur, la nucléosynthèse est devenue, selon Brian Fields et ses collègues, « essentiellement une théorie sans paramètre » Fields 2020. Elle ne peut plus s'ajuster ; elle ne peut que tomber juste ou se tromper.

Ses prédictions, pour la valeur de référence adoptée par ces auteurs, sont les suivantes : une fraction de masse d'hélium Yp = 0,24696, un rapport deutérium sur hydrogène D/H = 2,559 × 10⁻⁵, et un rapport lithium 7 sur hydrogène de 4,702 × 10⁻¹⁰ Fields 2020¹⁶.

Le deutérium, balance des baryons

Le deutérium est le plus sensible des trois à η. C'est un intermédiaire : il se forme, puis il est consommé pour faire de l'hélium. Plus il y a de baryons par photon, plus les noyaux se rencontrent souvent, plus la consommation est complète, et moins il reste de deutérium à la fermeture de la fabrique¹⁷. Le deutérium restant pèse donc, en creux, la quantité de matière ordinaire.

On le mesure dans des nuages de gaz lointains éclairés par des quasars, des noyaux de galaxies extrêmement lumineux qui servent de lampe de fond : le gaz interposé absorbe une partie de leur lumière, et la signature du deutérium s'y lit à côté de celle de l'hydrogène¹⁸. Ces nuages sont vus tels qu'ils étaient il y a très longtemps, quand peu d'étoiles avaient eu le temps de transformer leur gaz. La moyenne de onze mesures donne D/H = (2,55 ± 0,03) × 10⁻⁵ Fields 2020. La prédiction, 2,559 × 10⁻⁵, tombe dans cette marge, à un tiers d'écart-type de la valeur mesurée, et l'accord est de l'ordre de 1 %¹⁹.

La portée de cet accord tient à l'indépendance des deux mesures. L'une lit la chimie laissée par les trois premières minutes, dans des nuages éclairés il y a des milliards d'années ; l'autre lit l'empreinte des baryons sur une lumière émise 380 000 ans après le début, par une physique toute différente, celle des ondes sonores dans un plasma. Les deux donnent la même quantité de matière ordinaire Fields 2020. Cette quantité, fixée par la nucléosynthèse en accord avec Planck, est d'ailleurs trop faible pour rendre compte de toute la matière que révèle la gravité ; c'est l'une des raisons pour lesquelles la matière manquante ne peut pas être faite d'atomes ordinaires cachés Fields 2020(→ chap. 21)²⁰.

L'hélium, à la troisième décimale

L'hélium primordial se mesure autrement. Les étoiles fabriquent de l'hélium en brûlant leur hydrogène wiki-stellarnuc, si bien que le gaz d'une galaxie en contient d'autant plus que ses étoiles ont travaillé longtemps²¹. On observe donc les nuages de gaz ionisé des galaxies les plus pauvres en « métaux », le terme par lequel les astronomes désignent tous les éléments plus lourds que l'hélium et qui sert de témoin de l'activité stellaire passée ; puis on extrapole vers une teneur en métaux nulle, celle du gaz primordial. Dans ces mesures, les incertitudes systématiques, celles qui tiennent à la méthode plutôt qu'au nombre d'observations, dominent fields2014pdg.

Fields et ses collègues retiennent Yp = 0,2449 ± 0,0040 Fields 2020. La prédiction, 0,247, en est éloignée de 0,002, la moitié de l'incertitude²². Le PDG recommandait en 2014 une valeur voisine, 0,2465 ± 0,0097 fields2014pdg. Le fond diffus mesure lui aussi l'hélium, plus grossièrement, et trouve 0,239 ± 0,013 Fields 2020. Le programme japonais EMPRESS, qui cible des galaxies extrêmement pauvres en métaux, obtient en 2025 une valeur plus basse : Yp = 0,2402 ± 0,0040 Yanagisawa 2025. L'écart à la prédiction atteint alors 0,007, soit un peu moins de deux fois l'incertitude²³. Ce qui oppose ces mesures est donc la troisième décimale ; toutes placent l'hélium primordial entre 24 et 25 % de la masse, et le « quart » de l'arithmétique des seize nucléons n'est en cause dans aucune.

L'hélium compte les neutrinos

Parce qu'il enregistre la vitesse de l'expansion pendant la première seconde, l'hélium fait plus que confirmer le calcul : il compte des particules. Le chapitre précédent a décrit le mécanisme (→ chap. 4). Chaque espèce de particule légère présente dans le bain ajoute sa part à la densité d'énergie ; dans un univers dominé par le rayonnement, une densité plus grande signifie une expansion plus rapide ; le gel des conversions entre neutrons et protons survient alors plus tôt, à plus haute température, et il reste plus de neutrons, donc plus d'hélium. Chaque espèce supplémentaire de particule relativiste augmente Yp d'environ 0,013 fields2014pdg, trois fois l'incertitude de la mesure retenue par Fields et ses collègues.

La combinaison de la nucléosynthèse et du fond diffus donne pour le nombre d'espèces de neutrinos Nν = 2,86 ± 0,15 Fields 2020, compatible avec les trois familles connues, et incompatible avec une quatrième famille de neutrinos légers, qui se situerait à plus de sept fois l'incertitude (→ chap. 4). La valeur attendue dans le modèle standard est 3,04, plutôt que 3, à cause d'un léger chauffage des neutrinos fields2014pdg. Un calcul fait pour des noyaux d'atomes compte ainsi des particules que personne n'a jamais captées dans leur état fossile.

Pourquoi c'est la prédiction la plus sûre

La seconde moitié de la question du chapitre trouve ici sa réponse. La nucléosynthèse primordiale repose sur une physique mesurée en laboratoire, celle des noyaux légers et de l'interaction faible, appliquée à un univers dont la température et la densité sont connues à chaque instant par le modèle d'expansion. Son unique paramètre cosmologique est mesuré par ailleurs, par une méthode sans rapport. Elle produit plusieurs nombres indépendants, qui s'étendent sur neuf ordres de grandeur, et chacun d'eux se mesure dans un objet différent : l'hélium dans des galaxies naines, le deutérium devant des quasars, le lithium dans de vieilles étoiles. Le deutérium tombe juste à 1 % près ; l'hélium, à quelques millièmes près. Aucune autre prédiction de la cosmologie ne réunit une physique aussi éprouvée, aussi peu de liberté et autant de vérifications croisées. Le PDG, qui résume cet état des lieux, parle d'une concordance « remarquable » fields2014pdg. Le même texte ajoute aussitôt une réserve, qui porte sur un seul élément.

La fausse note du lithium

Le lithium primordial ne se mesure pas dans le gaz lointain, mais dans les étoiles, et dans des étoiles bien choisies : les vieilles étoiles pauvres en métaux du halo de notre Galaxie, le vaste nuage d'étoiles anciennes qui entoure son disque. Leur pauvreté en métaux signale qu'elles sont nées d'un gaz presque primordial, avant que les générations d'étoiles ne l'aient enrichi. Les astronomes mesurent cette pauvreté par la notation [Fe/H], le logarithme de la teneur en fer rapportée à celle du Soleil : [Fe/H] = −2 désigne une étoile cent fois plus pauvre en fer que le Soleil²⁴.

Pour les étoiles dont la métallicité est comprise entre −2,7 et −1,5 environ, plus de cent étoiles au total, l'abondance de lithium est uniforme, avec peu de dispersion : c'est le « plateau de Spite » Fields 2020. Cette uniformité ressemble à la signature d'une valeur de départ commune, que les étoiles auraient héritée du gaz primordial. Mais sa valeur, Li/H = (1,6 ± 0,3) × 10⁻¹⁰, est très en dessous de la prédiction, 4,70 × 10⁻¹⁰ Fields 2020. Le facteur est d'environ trois²⁵. Selon les estimations, on parle d'un facteur 2 à 4 wiki-bbn, ou de quatre fois Howk 2012. Les analyses des atmosphères stellaires donnent des valeurs de Li/H comprises entre 1,7 et 2,2 × 10⁻¹⁰ selon la méthode fields2014pdg, et aucune n'approche la prédiction ; le PDG signalait dès 2014 un désaccord dépassant cinq écarts-types selon l'analyse retenue fields2014pdg.

Un écart qu'aucun réglage ne rattrape

On pourrait croire que ce désaccord se règle en changeant la valeur de η. Le lithium prédit augmente avec η, à peu près comme η à la puissance 2,1 autour de la valeur de référence Fields 2020. Pour le ramener au niveau du plateau, il faudrait un η environ 1,7 fois plus petit que celui de Planck, soit un écart de plusieurs dizaines de fois l'incertitude de la mesure du fond diffus²⁶. Surtout, cette valeur de η serait incompatible avec celle, très précise, que donne le deutérium, et avec celle de l'hélium fields2014pdg. Le lithium ne peut pas être accordé sans désaccorder le reste. Et comme le deutérium est mesuré de plus en plus finement, la marge se resserre : le problème du lithium « demeure, et est même plus aigu » Fields 2020.

Une complication s'ajoute du côté des étoiles elles-mêmes. Sous une métallicité de −2,7, le lithium des étoiles cesse d'être uniforme et se disperse fortement ; on parle de la « fonte » du plateau. Certaines étoiles détruisent donc bien leur lithium Fields 2020, et deux naines extrêmement pauvres en métaux n'en montrent même aucune trace détectable fields2014pdg. Mais dans cette zone non plus, aucune étoile ne dépasse le plateau Fields 2020 : aucune ne remonte vers la valeur prédite. Trois familles d'explications sont sur la table : une erreur de physique nucléaire ou de mesure, une destruction dans les étoiles, ou une physique nouvelle pendant la nucléosynthèse fields2014pdg. Leur état est très inégal.

La physique nucléaire, presque disculpée

Pour produire moins de lithium, il faudrait détruire davantage de béryllium 7 pendant la nucléosynthèse, puisque c'est sous cette forme que naît l'essentiel du lithium. La piste la plus directe est donc une réaction de destruction du béryllium 7 dont la probabilité aurait été sous-estimée. Les recherches expérimentales ont fermé les cas les plus prometteurs, ce qui rend un « correctif nucléaire » de plus en plus improbable fields2014pdg. En 2016, l'expérience n_TOF du CERN a mesuré pour la première fois la réaction ⁷Be(n,α)⁴He, où un neutron casse un béryllium 7 en deux noyaux d'hélium, sur une large gamme d'énergies. Le résultat indique un rôle mineur de cette réaction, « laissant le problème du lithium cosmologique non résolu » Barbagallo 2016. Les tables de sensibilité le confirment : cette voie de destruction, et une autre qui fait intervenir le deutérium, notée ⁷Be(d,p), ne pèsent presque rien sur le lithium prédit Fields 2020.

Reste, sur le versant des mesures, la difficulté d'interpréter la lumière des étoiles. Pour en tirer une abondance, il faut modéliser leur atmosphère, et le résultat dépend de la manière d'estimer leur température Fields 2020. Mais la dispersion des analyses, de 1,7 à 2,2 × 10⁻¹⁰, reste loin du facteur trois à combler fields2014pdg.

La destruction dans les étoiles, la piste la plus suivie

Une étoile vit des milliards d'années, et le lithium est un noyau fragile. Plusieurs mécanismes peuvent le soustraire à la surface, la seule partie de l'étoile qu'on observe : la diffusion, le mélange induit par la rotation, la destruction avant que l'étoile ne s'installe dans sa phase stable de combustion de l'hydrogène fields2014pdg. En 2014, le PDG jugeait que ces mécanismes « se produisent certainement », mais qu'ils exigent des réglages ad hoc pour expliquer tout le déficit, et que les modèles plafonnaient alors la destruction à un facteur d'environ 1,8 fields2014pdg, insuffisant pour un facteur trois.

Dix ans plus tard, l'astronome Andreas Korn fait un bilan plus favorable. Des indices indépendants s'accumulent, écrit-il en 2024, et indiquent que les étoiles « pourraient très bien être entièrement responsables » de l'abaissement de leur lithium de surface, par des mécanismes de transport d'éléments à l'intérieur de l'étoile regroupés sous le nom de diffusion atomique Korn 2024. Mais l'effet est modéré par un mélange aux frontières de la zone convective, la région où la matière de l'étoile est brassée, et les modèles ne savent pas prédire ce mélange. Un tableau pleinement quantitatif manque donc encore Korn 2024. Ce qui départagerait est précisément là : un modèle du mélange qui prédirait, sans ajustement étoile par étoile, un abaissement d'un facteur trois uniforme sur tout le plateau.

Un contre-témoin vient d'ailleurs. Le gaz interstellaire ne détruit pas son lithium comme le fait l'intérieur d'une étoile. Dans le Petit Nuage de Magellan, une galaxie voisine dont la métallicité vaut le quart de celle du Soleil, le lithium du gaz est « presque égal aux prédictions » de la nucléosynthèse Howk 2012. Pour réconcilier cette mesure avec la nucléosynthèse standard et le plateau de Spite, il faudrait une destruction stellaire « extrêmement ajustée » selon la métallicité ; la mesure est aussi compatible avec une nucléosynthèse non standard Howk 2012. Le témoin est toutefois brouillé : ce gaz a déjà été enrichi en lithium par des novae, des explosions à la surface de naines blanches dans des systèmes doubles, dont la contribution pèse sur l'interprétation Izzo 2022²⁷.

Une physique nouvelle, très contrainte

La troisième famille d'explications modifie la nucléosynthèse elle-même. Dans une première classe de modèles, des particules inconnues se désintègrent pendant la fabrique et libèrent des neutrons ; ceux-ci convertissent le béryllium 7 en lithium 7, plus facile à détruire. Mais ces mêmes neutrons fabriquent du deutérium, d'où une tension entre baisser le lithium et respecter le deutérium fields2014pdg. Une autre classe suppose que les constantes fondamentales avaient alors des valeurs un peu différentes, par exemple l'énergie de liaison du deutérium fields2014pdg.

La précision du deutérium mesuré « contraint désormais fortement ces tentatives » Ganguly 2026. Les modèles récents deviennent en conséquence des scénarios à plusieurs étages. Sandip Ganguly et ses collègues proposent en 2026 deux particules hypothétiques qui se désintègrent à deux époques successives, la seconde corrigeant l'excès de deutérium laissé par la première Ganguly 2026. Ce degré de construction est en lui-même une information : aucune solution simple ne passe entre le lithium et le deutérium.

Et s'il n'y avait pas de problème ?

Une position isolée conteste l'existence même du désaccord. En 2025, Oswaldo Miranda publie un modèle d'évolution chimique qui couple la formation progressive des structures aux rendements des premières générations d'étoiles. Le plateau de Spite y apparaît naturellement, à un niveau d'environ 1,81 × 10⁻¹⁰, et deviendrait une « signature observationnelle » de la formation des toutes premières étoiles Miranda 2025. C'est l'affirmation d'un seul auteur, qui n'est pas reprise par la communauté à ce stade, et qui s'appuie sur des étoiles, celles de la première génération, qu'on n'a jamais observées directement Klessen 2023(→ chap. 9).

Le bilan tient en deux constats qu'il faut garder ensemble. Le lithium ne réfute pas la nucléosynthèse primordiale : le deutérium et l'hélium, mesurés dans des objets sans rapport, concordent avec une précision que le lithium ne peut pas entamer, et la piste la plus suivie, celle des étoiles, n'exige aucune physique nouvelle. Mais le problème n'est pas résolu : la piste stellaire n'a pas encore son calcul, et le PDG le rangeait en 2014 parmi les problèmes « non résolus » fields2014pdg.

La frontière de l'établi

La revue du Particle Data Group, la référence des physiciens des particules, donne à ces vingt minutes un statut précis. Faute de « modèles standard » pour la baryogenèse et pour l'inflation, écrivent ses auteurs, la nucléosynthèse primordiale « marque toujours la frontière entre l'établi et le spéculatif dans la cosmologie du Big Bang » fields2014pdg. En deçà de la frontière, la soupe de particules, la brisure de la symétrie électrofaible et la liaison des quarks en protons et en neutrons relèvent d'une physique testée en accélérateur, mais n'ont laissé aucune relique observable : « aucune relique observable de ces époques n'a été identifiée, ni théoriquement ni observationnellement » fields2014pdg(→ chap. 4). Avec la nucléosynthèse, on dispose d'une microphysique bien établie, on extrapole jusqu'à une seconde environ, et l'on prédit des abondances qui s'étendent sur neuf ordres de grandeur, en accord avec l'observation à l'exception du lithium fields2014pdg.

La frontière passe donc là où l'Univers a laissé, pour la première fois, un produit qu'on peut peser. Tout ce qui précède se reconstruit par la théorie et se vérifie par ses conséquences ; les abondances de la nucléosynthèse, elles, sont là, dans le gaz des galaxies naines, dans les nuages qui absorbent la lumière des quasars, dans l'atmosphère des vieilles étoiles. Et ce produit n'a pas disparu. Les protons restés seuls vers la vingtième minute sont les noyaux d'hydrogène du gaz d'où naîtront toutes les étoiles, et, bien plus tard, ceux de l'eau²⁸.

La durée de l'épisode est dérisoire. Si l'on ramène les 13,8 milliards d'années de l'histoire cosmique à une seule année, la nucléosynthèse primordiale est achevée moins d'une milliseconde après minuit, le 1er janvier²⁹. En ce rien de temps, la matière ordinaire de l'Univers a reçu la composition qu'elle gardera, pour l'essentiel, pendant des centaines de millions d'années : trois quarts d'hydrogène, un quart d'hélium, des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium wiki-chrono. Les étoiles ne changeront ce mélange que lentement, et par petites touches, en y ajoutant les éléments lourds dont nous sommes faits (→ chap. 12).

Les noyaux sont faits, mais les atomes pas encore. L'Univers de la vingtième minute est trop chaud pour qu'un électron reste attaché à un noyau ; les électrons circulent librement, et la lumière rebondit sans cesse sur eux, si bien qu'elle ne peut parcourir aucune distance en ligne droite. Il faudra attendre environ 380 000 ans, et une température de 3 000 K, pour que les électrons se lient aux noyaux et que la lumière se libère wiki-chronoesa2013planck. C'est cette lumière qui, captée aujourd'hui, a donné la mesure de η grâce à laquelle ce chapitre a pu vérifier ses trois minutes (→ chap. 6).

Ce qu'on ne sait pas

On ne sait pas d'où vient le déficit de lithium. C'est la seule inconnue sérieuse du chapitre, et son degré d'incertitude a évolué. La physique nucléaire est presque disculpée par les mesures de n_TOF et les tables de sensibilité Barbagallo 2016Fields 2020. Ce qui oppose les deux pistes restantes est l'endroit où l'on place la destruction : dans les étoiles, après coup, ou pendant la nucléosynthèse, par une physique nouvelle. La piste stellaire a pour elle l'accumulation d'indices résumée par Korn et le fait qu'elle n'invente rien ; il lui manque un modèle quantitatif du mélange à la frontière de la zone convective Korn 2024. La piste de la physique nouvelle doit franchir l'obstacle du deutérium, et n'y parvient qu'au prix de scénarios à plusieurs étages Ganguly 2026. Ce qui départagerait les deux serait, d'un côté, un modèle stellaire qui reproduise le plateau sans ajustement ; de l'autre, une mesure du lithium dans un gaz qui n'a été ni traité par des étoiles ni enrichi par des novae, ce que le Petit Nuage de Magellan n'offre pas tout à fait Howk 2012Izzo 2022.

On ne sait pas la troisième décimale de l'hélium primordial. Les mesures se répartissent aujourd'hui entre 0,240 et 0,245 Fields 2020Yanagisawa 2025. Si la valeur basse d'EMPRESS se confirmait, elle s'écarterait de la prédiction de près de deux fois l'incertitude, et ses auteurs y voient l'indice possible d'une « asymétrie leptonique », un léger excès de neutrinos sur les antineutrinos dans la soupe Yanagisawa 2025. C'est une piste, pas un résultat. Comme les incertitudes de ces mesures sont dominées par la méthode fields2014pdg, ce qui trancherait n'est pas une observation de plus, mais la convergence de méthodes différentes sur les mêmes galaxies.

On ne connaît pas la durée de vie du neutron avec toute la précision voulue, alors qu'elle est le paramètre de laboratoire qui pèse le plus sur l'hélium fields2014pdg. Un écart entre les mesures faites sur des neutrons piégés et celles faites sur des faisceaux de neutrons est connu, mais il n'est pas documenté dans les sources de ce livre, et son effet sur la prédiction de l'hélium reste à chiffrer ici.

On attend enfin une mesure plus fine du nombre d'espèces de particules relativistes. Le futur observatoire du fond diffus CMB-S4 vise une précision de 0,03, assez pour détecter la correction de 0,045 attendue dans le modèle standard Fields 2020. Ce serait la première fois que le décompte des neutrinos fossiles verrait, au-delà du chiffre 3, le détail de la manière dont ils ont quitté la soupe (→ chap. 4).

Ce que ce chapitre démontre

Entre la première seconde et la vingtième minute, l'Univers transforme un gaz de protons et de neutrons en un mélange qui fait, en masse, environ 75 % d'hydrogène et 25 % d'hélium 4, avec des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium wiki-chronofields2014pdg. Le mécanisme tient en quelques étapes. Au gel, vers une seconde, il reste un neutron pour six protons ; les neutrons libres, qui vivent environ quinze minutes, se désintègrent pendant l'attente, et le rapport tombe à un pour sept fields2014pdgwiki-bbn. L'attente dure environ trois minutes parce que les photons, un milliard par baryon, cassent le deutérium jusqu'à ce que la température descende vers 0,1 MeV, bien au-dessous de son énergie de liaison de 2,23 MeV fields2014pdg. Quand le goulot s'ouvre, presque tous les neutrons se réfugient dans l'hélium 4, et l'arithmétique de seize nucléons donne un quart de la masse, soit environ un atome sur treize fields2014pdgwiki-bbn.

La chaîne s'arrête parce qu'il n'existe aucun noyau stable de masse 5 ou 8, et que les barrières électriques entre noyaux chargés freinent le reste dans un gaz aussi dilué que l'air, où seules comptent les rencontres à deux fields2014pdg. Le lithium 7 naît surtout sous forme de béryllium 7 ; tout ce qui est plus lourd attendra les étoiles fields2014pdgKobayashi 2020.

Ce calcul est la prédiction la plus sûre de la cosmologie parce qu'il n'a plus de paramètre libre : le seul nombre cosmologique qu'il demande, le rapport baryons/photons, est mesuré indépendamment par le fond diffus Fields 2020. Le deutérium prédit, 2,559 × 10⁻⁵, coïncide à 1 % près avec le deutérium mesuré ; l'hélium tombe juste à quelques millièmes près ; et l'hélium, qui enregistre la vitesse de l'expansion, compte 2,86 ± 0,15 espèces de neutrinos, compatible avec trois Fields 2020. Seul le lithium, trois fois trop rare dans les vieilles étoiles, ne concorde pas ; la physique nucléaire est presque disculpée, la destruction dans les étoiles est la piste la plus suivie sans être encore chiffrée, et une physique nouvelle est très contrainte par le deutérium Barbagallo 2016Korn 2024Ganguly 2026.

C'est pourquoi la nucléosynthèse marque, selon le PDG, la frontière entre l'établi et le spéculatif fields2014pdg. En moins d'une milliseconde de l'année cosmique, l'Univers a pris sa matière première, et il l'a laissée dans un état où on peut encore la peser. Il lui reste à devenir transparent.

Notes