Trois minutes pour faire l'hydrogène et l'hélium

3 à 20 minutes

Un proton et un neutron se joignent. C'est le deutérium, l'hydrogène lourd, le plus simple des noyaux et le premier ; et avant qu'ils aient fait quoi que ce soit ensemble, un photon les frappe et les sépare. Il faudra pourtant repasser par là. L'hélium compte quatre nucléons, deux protons et deux neutrons, et dans ce gaz quatre particules ne se trouvent jamais au même point au même instant ; seules les rencontres à deux comptent. La chaîne doit monter marche par marche, et la première marche est celle-ci, un proton, un neutron — et elle ne tient pas.

Un noyau tient parce que ses constituants, réunis, ont moins d'énergie que séparés ; pour les désunir, il faut leur rendre la différence, et celle du deutérium vaut 2,23 MeV. Au gel, le bain est déjà descendu sous ce chiffre, vers 1 MeV, et le deutérium devrait tenir. Il ne tient qu'à 0,1 MeV, vingt fois plus bas, un milliard de degrés. Entre les deux, il y a le milliard de photons. Pour chaque noyau, un milliard de photons, et leurs énergies ne sont pas toutes la même : elles s'étalent autour de la moyenne, la plupart au-dessous, quelques-unes très au-dessus. À 0,5 MeV, ceux qui portent de quoi casser un deutérium sont une infime minorité ; mais une infime minorité d'un milliard est encore une foule, et chaque deutérium qui naît en rencontre un. Il naît, il est cassé ; il renaît, il est cassé. C'est le goulot du deutérium, un passage si étroit que rien n'y entre tant que la foule des briseurs ne tombe pas sous un par noyau — et pour cela il faut que la queue de la distribution se soit amincie d'un facteur un milliard.

Ce milliard a déjà un nom : c'est l'inverse de η, le rapport des baryons aux photons, ce que l'annihilation a laissé derrière elle dans la soupe. Plus il y a de baryons par photon, moins chaque noyau a de briseurs autour de lui, et plus tôt le goulot s'ouvre — faiblement, par un logarithme : dix fois plus de baryons n'avancent l'heure que d'un peu. L'excès né dans la soupe fixe ainsi le moment où la fusion peut commencer, et donc le temps laissé aux neutrons pour mourir.

Car pendant que la lumière défait chaque deutérium, les neutrons meurent. Un neutron libre vit environ quinze minutes, puis devient un proton. Le seul abri où il cesserait de mourir est un noyau, et c'est précisément ce que la lumière lui refuse : chaque neutron qui trouve un proton est rendu libre avant d'avoir été sauvé, et chaque minute d'attente emporte une part de ceux qui restent.

Au gel, vers une seconde, il y avait un neutron pour six protons. Quand la porte s'ouvre, il y en a un pour sept. De un pour six à un pour sept, un neutron sur huit a disparu ; avec quinze minutes de vie, cette perte prend deux minutes environ. Le « un pour sept » n'est pas une constante de la nature : c'est l'heure qu'il est quand la porte s'ouvre. Un univers qui aurait refroidi plus lentement aurait ouvert plus tard, devant moins de neutrons.

Quand le goulot s'ouvre, l'Univers a changé de nature. Sa densité est celle de l'air. Il refroidit, il se dilate à vue d'œil. Deux noyaux s'y croisent assez souvent pour réagir ; trois au même point, presque jamais. La fabrique des premiers noyaux n'a rien d'un cœur d'étoile comprimé : c'est un gaz ténu, chaud, qui se détend, et cette contrainte-là décidera de l'endroit où la chaîne s'arrête.

Dès que le deutérium tient, il ne reste pas deutérium. Par une courte suite de rencontres à deux, il monte vers le noyau le plus stable de tous ceux qui sont alors à portée, l'hélium 4, deux protons et deux neutrons, et presque tous les neutrons survivants y entrent. C'est leur refuge : dans l'hélium, un neutron ne se désintègre plus, et pour eux le compte s'arrête là. Le travail va vite. Vers 180 secondes, les abondances du deutérium, de l'hélium 3, de l'hélium 4 et du lithium 7 sont pour l'essentiel fixées ; les minutes qui suivent ne font plus que des retouches, dans un gaz qui perd son énergie et sa densité.

Il suffit alors de compter. Seize nucléons. Un neutron pour sept protons : deux neutrons, quatorze protons. Les deux neutrons prennent chacun un proton. Un noyau d'hélium — deux neutrons, deux protons, quatre nucléons sur seize. Le neutron et le proton pèsent presque exactement le même poids ; quatre sur seize, c'est un quart de la masse. Restent douze protons, seuls. Douze noyaux d'hydrogène. Les trois autres quarts. L'Univers est fait d'hydrogène et d'hélium dans la proportion de trois pour un parce qu'un neutron sur huit nucléons avait survécu quand la fusion a commencé, et que chacun a entraîné un proton avec lui.

En nombre d'atomes, le tableau penche davantage. Pour un noyau d'hélium, douze noyaux d'hydrogène : un atome sur treize, à peu près 8 %. L'écart entre le quart de la masse et le treizième des atomes tient à ce qu'un noyau d'hélium pèse quatre fois un noyau d'hydrogène. Plus de neuf atomes sur dix, à la sortie de la fabrique, sont de l'hydrogène.

C'est la fenêtre qu'on donne à la nucléosynthèse primordiale, de la troisième à la vingtième minute, et c'est son produit : en masse, environ 75 % d'hydrogène et 25 % d'hélium 4, avec des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium. Combien de protons restent seuls, et ce que deviennent les autres — la première moitié de ce que le chapitre cherchait tient dans ces seize nucléons.

Ce résultat tient très peu aux taux des réactions nucléaires. Les taux disent à quelle vitesse les neutrons passent du deutérium à l'hélium ; ils ne disent pas où ils finissent. L'hélium 4 est le cul-de-sac de la chaîne : une réaction deux fois plus rapide ou deux fois plus lente changerait le chemin et presque pas l'arrivée, et l'arrivée ne dépend que des neutrons disponibles à l'ouverture — de la température du gel, et du temps d'attente. De tout ce qu'on mesure en laboratoire, c'est donc la durée de vie du neutron qui tient l'hélium ; η n'y touche que par l'heure d'ouverture, et faiblement. L'hélium de l'Univers ne mesure presque rien des trois minutes qui l'ont fait. Il est un recensement des neutrons qui ont survécu à l'attente, et c'est pour cela qu'il servira, plus loin, à compter des particules que personne n'a jamais captées.

Une fois l'hélium 4 fait, la suite serait d'y ajouter une particule — un neutron, un proton, un autre hélium — et de monter à la masse 5 ou à la masse 8. Or il n'existe dans la nature aucun noyau stable de masse 5, ni de masse 8. Les trois fusions forment un noyau qui ne tient pas ; elles ne mènent nulle part. Dans l'escalier des masses, deux marches manquent, et elles manquent 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 avec l'un des noyaux intermédiaires, plus rares, pour sauter à la masse 6 ou 7. Ces réactions existent. Mais tous les noyaux portent une charge positive, et deux charges de même signe se repoussent ; il faut assez d'élan pour s'approcher jusqu'à la distance, très courte, où la force nucléaire l'emporte. Plus les noyaux sont chargés, plus la barrière est haute, et dans un gaz qui refroidit de minute en minute, de moins en moins de noyaux la franchissent. Le goulot a retardé la fusion jusqu'à un univers 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, sont les intermédiaires que la fabrique n'a pas fini de convertir : quelques atomes pour cent mille d'hydrogène. Le lithium 7, trois protons et quatre neutrons : un atome pour dix milliards. Du quart de la masse au dix-milliardième, les abondances s'étendent sur neuf ordres de grandeur.

Ce lithium n'est pas fabriqué sous sa propre forme. Il naît surtout béryllium 7, quatre protons et trois neutrons, quand un hélium 3 capture un hélium 4 et que le surplus d'énergie s'en va en un photon — les physiciens l'écrivent ³He(⁴He,γ)⁷Be — ; ce béryllium est instable, et il se désintègre ensuite en lithium 7. La fabrique ne monte donc pas « jusqu'au béryllium » : son béryllium est une forme de passage du lithium, et au-delà de ces traces, l'Univers qui sort de ces minutes ne contient rien de plus lourd en quantité notable.

Vers vingt minutes, la température et la densité sont trop basses pour toute fusion. La fabrique ferme. Le carbone, l'oxygène, le fer attendront. Leur voie est celle-ci : trois hélium réunis en un carbone, en passant par le béryllium 8, qui ne tient pas, le troisième hélium devant arriver pendant sa brève existence — une rencontre à trois. Dans un gaz aussi dilué que l'air, où seules les rencontres à deux comptent, elle n'a aucune chance. Les éléments au-delà du lithium seront forgés dans les premières étoiles et dans leurs explosions, des centaines de millions d'années plus tard.

Dans le calcul entrent des grandeurs de laboratoire : l'écart de masse entre neutron et proton, la durée de vie du neutron, les réactions entre noyaux légers, mesurées dans des accélérateurs. Entre le nombre d'espèces de particules légères, qui fixe la vitesse de l'expansion. Entre enfin un seul nombre venu du ciel, η. Longtemps on l'a tiré des abondances elles-mêmes : on le réglait pour retrouver le deutérium, puis on vérifiait le reste ; la théorie avait un bouton. Le fond diffus, 380 000 ans plus tard, mesure η par ailleurs, par la manière dont les baryons pèsent sur les ondes sonores du plasma, et Planck lit (6,104 ± 0,058) × 10⁻¹⁰. Avec ce nombre imposé de l'extérieur, la nucléosynthèse est devenue, écrivent Brian Fields et ses collègues, « essentiellement une théorie sans paramètre ». Elle ne peut plus s'ajuster. Elle ne peut que tomber juste ou se tromper.

Le deutérium est un intermédiaire, que la fabrique consomme pour faire l'hélium ; plus il y a de baryons par photon, plus les noyaux se rencontrent, et plus la consommation est complète. Ce qui en reste pèse, en creux, la matière ordinaire. On le lit dans des nuages de gaz lointains, devant des quasars — des noyaux de galaxies si lumineux qu'ils servent de lampe de fond ; le gaz interposé absorbe une part de leur lumière, et la signature du deutérium s'y lit à côté de celle de l'hydrogène, dans des nuages vus tels qu'ils étaient quand peu d'étoiles avaient touché leur gaz. Onze mesures donnent en moyenne (2,55 ± 0,03) × 10⁻⁵. Le calcul dit 2,559. À 1 % près, deux lectures sans rapport — la chimie des trois minutes dans des nuages d'il y a des milliards d'années, les ondes sonores d'un plasma à 380 000 ans — donnent la même quantité de matière ordinaire ; et cette quantité est trop faible pour rendre compte de toute la matière que révèle la gravité.

L'hélium se lit autrement. Les étoiles en fabriquent en brûlant leur hydrogène, et un gaz en contient d'autant plus que ses étoiles ont travaillé longtemps ; on observe donc le gaz ionisé des galaxies les plus pauvres en métaux — le mot des astronomes pour tout ce qui est plus lourd que l'hélium — et on extrapole vers un gaz qui n'en aurait aucun. Là, les incertitudes tiennent à la méthode plus qu'au nombre d'observations. Fields et ses collègues retiennent 0,2449 ± 0,0040, contre 0,24696 calculé : la moitié d'une incertitude. Le fond diffus, plus grossièrement, trouve 0,239 ± 0,013. Le programme japonais EMPRESS, sur des galaxies extrêmement pauvres, obtient en 2025 une valeur plus basse, 0,2402 ± 0,0040, un peu moins de deux incertitudes sous le calcul. Ce qui oppose ces mesures est la troisième décimale ; toutes placent l'hélium entre 24 et 25 % de la masse, et le quart des seize nucléons n'est en cause dans aucune.

Parce qu'il recense les neutrons de la première seconde, l'hélium fait plus que confirmer. Chaque espèce de particule légère présente dans le bain ajoute à la densité ; une densité plus grande fait une expansion plus rapide, un gel plus tôt, plus de neutrons : environ 0,013 d'hélium en plus par espèce, trois fois l'incertitude de la mesure retenue. Nucléosynthèse et fond diffus, mis ensemble, comptent 2,86 ± 0,15 espèces de neutrinos — les trois familles connues ; une quatrième, légère, serait à plus de sept incertitudes. Un calcul fait pour des noyaux d'atomes compte ainsi des particules que personne n'a jamais captées. Aucune autre prédiction de la cosmologie ne réunit une physique aussi éprouvée, aussi peu de liberté et autant de vérifications croisées ; le PDG parle d'une concordance « remarquable ». Le lithium, lui, ne tombe pas juste.

Le lithium primordial ne se lit pas dans le gaz lointain mais dans des étoiles, les plus vieilles du halo — le vaste nuage d'étoiles anciennes qui entoure le disque de la Galaxie —, choisies pour leur pauvreté en fer. Les astronomes l'écrivent [Fe/H] ; −2 désigne une étoile cent fois plus pauvre en fer que le Soleil, née d'un gaz presque primordial. Entre −2,7 et −1,5, sur plus de cent étoiles, le lithium est le même : un plateau, celui de Spite, comme une valeur de départ commune héritée du gaz d'origine. Mais ce plateau vaut (1,6 ± 0,3) × 10⁻¹⁰, contre 4,70 calculé. Trois fois trop peu ; deux à quatre, selon les estimations. Aucune analyse d'atmosphère stellaire, de 1,7 à 2,2, n'approche la prédiction.

On ne rattrape pas cet écart en touchant à η. Le lithium calculé monte avec lui ; le ramener au plateau demanderait un η presque deux fois plus petit que celui de Planck, à des dizaines d'incertitudes de sa mesure, et contraire au deutérium et à l'hélium. Le lithium ne peut pas être accordé sans désaccorder le reste. Et comme le deutérium se mesure de plus en plus finement, la marge se resserre : le problème « demeure, et est même plus aigu ». Sous −2,7, le plateau fond ; le lithium se disperse, deux naines n'en montrent plus trace. Mais aucune étoile ne dépasse le plateau, aucune ne remonte vers la valeur calculée. Trois familles d'explications sont sur la table — la physique nucléaire, les étoiles, une physique nouvelle —, et leur état est très inégal.

Pour faire moins de lithium, il faudrait détruire plus de béryllium 7 pendant la fabrique, et la piste la plus directe serait une réaction de destruction sous-estimée. Au CERN, en 2016, dans le hall de n_TOF, on mesure pour la première fois la réaction où un neutron casse un béryllium 7 en deux hélium, sur une large gamme d'énergies ; on lui trouve un rôle mineur, « laissant le problème du lithium cosmologique non résolu ». Les tables de sensibilité confirment : cette voie, et celle qui passe par le deutérium, ne pèsent presque rien. La physique nucléaire est presque disculpée.

Une étoile vit des milliards d'années, et le lithium est un noyau fragile. La diffusion, le brassage dû à la rotation, la destruction avant que l'étoile s'installe dans sa phase stable peuvent le soustraire à la surface, la seule partie qu'on observe. En 2014, le PDG jugeait ces mécanismes certains, mais plafonnés à un facteur 1,8 : pas assez pour trois. En 2024, Andreas Korn fait un bilan plus favorable : des indices indépendants s'accumulent, et les étoiles « pourraient très bien être entièrement responsables » de l'abaissement de leur lithium, par diffusion atomique. 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 encore.

Un contre-témoin vient d'ailleurs. Le gaz interstellaire ne détruit pas son lithium comme le fait l'intérieur d'une étoile, et dans le Petit Nuage de Magellan, galaxie voisine quatre fois moins riche en métaux que le Soleil, le lithium du gaz est « presque égal aux prédictions ». Pour tout concilier — le plateau, le calcul, ce gaz —, il faudrait une destruction stellaire « extrêmement ajustée » selon la métallicité. Mais ce gaz a déjà reçu du lithium de novae, des explosions à la surface de naines blanches dans des systèmes doubles ; le témoin est brouillé.

Reste à modifier les trois minutes elles-mêmes. Des particules inconnues se désintégreraient pendant la fabrique et libéreraient des neutrons ; ces neutrons convertiraient le béryllium 7 en lithium 7, plus facile à détruire. Mais les mêmes neutrons font aussi du deutérium, et la précision du deutérium mesuré « contraint désormais fortement ces tentatives ». En 2026, Sandip Ganguly et ses collègues doivent recourir à deux particules, qui se désintègrent à deux époques successives, la seconde effaçant le deutérium laissé par la première. Ce degré de construction est en lui-même une information. Le lithium ne réfute pas les trois minutes : le deutérium et l'hélium, lus dans des objets sans rapport, concordent avec une précision qu'il ne peut pas entamer. Mais le problème n'est pas résolu. La piste des étoiles n'a pas encore son calcul, et toute physique nouvelle doit passer entre le lithium et le deutérium, où aucune solution simple ne passe.

Le Particle Data Group donne à ces vingt minutes leur place. Il n'y a pas de « modèle standard » de la baryogenèse, pas de « modèle standard » de l'inflation, et la nucléosynthèse primordiale « marque toujours la frontière entre l'établi et le spéculatif dans la cosmologie du Big Bang ». En deçà, la soupe, la brisure électrofaible, la liaison des quarks : une physique testée en accélérateur, qui n'a laissé aucune relique. Avec la nucléosynthèse, une microphysique établie, extrapolée jusqu'à une seconde, prédit des abondances sur neuf ordres de grandeur, et l'observation les retrouve, le lithium en moins. Tout ce qui précède se reconstruit par la théorie. Les abondances, 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, les douze sur seize que le comptage laissait de côté, sont les noyaux d'hydrogène du gaz d'où naîtront toutes les étoiles ; et, bien plus tard, dans un verre posé sur une table, ceux de l'eau.

Ramenés à une année, les 13,8 milliards d'années de l'histoire cosmique placent la fin de la fabrique moins d'une milliseconde après minuit, le 1er janvier. En ce rien de temps, la matière ordinaire 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.

Les étoiles ne changeront ce mélange que lentement, par petites touches, en y ajoutant les éléments lourds dont nous sommes faits. Tout ce qui est au-delà du lithium attend les premières d'entre elles, et leurs explosions.

Les noyaux sont faits ; les atomes, pas encore. Le gaz de la vingtième minute est trop chaud pour qu'un électron reste attaché à un noyau. Les électrons circulent libres, et la lumière rebondit sur eux, d'électron en électron, sans parcourir aucune distance en ligne droite. Il faudra 380 000 ans, et 3 000 degrés, pour que les électrons se posent sur les noyaux et que la lumière parte. C'est cette lumière qui, captée aujourd'hui, a donné le nombre avec lequel on vient de vérifier les trois minutes.