jeudi 7 janvier 2016

L'hélium-3, une nouvelle sonde pour tester le modèle cosmologique

Parmi tous les éléments chimiques existant partout dans l’Univers, certains sont bien plus importants que d’autres pour étudier le modèle standard de la cosmologie : les éléments légers, hydrogène et hélium en tête, qui sont les seuls à s’être formés dans les toutes premières minutes suivant la singularité initiale. Aujourd’hui, l’isotope 3 de l’hélium, jusqu’alors négligé, ouvre de nouvelles portes cosmologiques.



C’est en observant les reliques de l’Univers primordial que les cosmologistes ont peu à peu fabriqué le modèle standard de l’Univers qui domine aujourd’hui.  Un physicien de l’Université de Californie à Santa Cruz du nom de Ryan Cooke, vient de proposer un nouveau moyen d’étudier la robustesse du modèle standard de la cosmologie, par l’étude des abondances des isotopes de l’hélium. Plus précisément, c’est l’abondance d’un isotope rare de l’hélium, l’hélium-3, qui peut fournir des informations capitales sur le nombre de familles de particules légères, fournissant ainsi des contraintes non seulement pour la cosmologie, mais aussi pour la physique des particules.


Séquence de réactions nucléaires produisant la nucléosynthèse primordiale dans les trois premières minutes de l'Univers.
Il y a principalement quatre isotopes qui ont été produits dans l’Univers très jeune au cours de la phase qu’on appelle la nucléosynthèse primordiale, par ordre d’abondance décroissante : l’hydrogène (1 proton), l’hélium-4 (2 protons+2 neutrons), le deutérium (1 proton + 1 neutron) et enfin l’hélium-3 (2 protons + 1 neutron). Les noyaux de lithium-7 et de béryllium-7 sont produits quant à eux en quantités infimes par rapport aux autres. 
D’après la théorie, les abondances de ces isotopes observées aujourd’hui dépendent de la physique qui avait lieu à l’époque reculée de la nucléosynthèse primordiale il y a 13,8 milliards d’années. Les abondances en deutérium et en hélium-3 dépendent par exemple de la densité de matière baryonique à cette époque ; plus la densité était grande, moins de deutérium et d’hélium-3 devaient se former, étant plus rapidement détruits.
Les fluctuations du rayonnement de fond diffus cosmologique, visible seulement 380 000 ans plus tard, dépendent elles-aussi de la densité de matière baryonique de l’époque primordiale.

L’abondance primordiale en hélium-4 est plus sensible au taux d’expansion de l’Univers jeune qu’à sa densité baryonique. Elle dépend aussi de la densité de particules relativistes à cette époque reculée, comme les photons, les électrons, les positrons et les trois saveurs de neutrinos du modèle standard des particules. La somme totale de ces types de particules est paramétrée par un nombre qu’on appelle Neff, le nombre effectif d’espèces de neutrinos, et qui vaut aujourd’hui, selon les dernières observations,  3.046 (mais cette valeur peut devenir différente dans des modèles non-standards qui prédisent la formation de nouvelles particules).
Le gros problème pour mesurer les abondances primordiales de ces éléments est que, après près de 14 milliards d’années d’évolution cosmique, les abondances de tous les éléments et isotopes ont été modifiées par le travail des étoiles : l’hydrogène et le deutérium ont décru, consommés par les étoiles, tandis que les isotopes de l’hélium se sont accrus, produits par la fusion de l’hydrogène. Et bien évidemment, il est impossible de distinguer un noyau d’hélium vieux de 13,8 milliards d’années d’un noyau d’hélium fraîchement produit il y a cinq minutes dans le Soleil.

Carte du fond diffus cosmologique (CMB) (Planck Collaboration)
Dans le cas du deutérium (isotope de l’hydrogène), qui est surtout utilisé pour estimer la densité baryonique, son abondance est mesurée en observant des nuages de gaz distants de plus de 10 milliards d’années. Parmi ceux-ci, les astrophysiciens sélectionnent les nuages les moins riches en éléments lourds (métaux), s’assurant d’une très faible pollution par l’activité stellaire avoisinante. L’observation du ratio isotopique entre 1H (hydrogène) et 2H (deutérium) permet aux chercheurs  de déterminer une valeur de la densité baryonique relative égale à 4,5% (relative à la densité critique, limite entre univers ouvert ou fermé) et qui donne un excellent accord avec les mesures obtenues sur le fond diffus cosmologique (CMB) par la mission Planck.
Concernant l’hélium-4, la mesure de son abondance, qui sert à évaluer le paramètre Neff, se fait en observant ses raies d’émission spécifiques dans le gaz de galaxies proches mais qui montrent elle-aussi de très faibles pollutions en métaux. Mais ces mesures sont entachées de fortes incertitudes. Pire, même, les dernières mesures en date par cette méthode sont en désaccord avec ce que le satellite Planck a permis d’estimer à partir du CMB : l’abondance en He-4 apparaît beaucoup plus grande que celle déduite du CMB.

C’est pour tenter de résoudre cette anomalie et de réduire les incertitudes que Ryan Cooke propose de ne plus négliger l’hélium-3, mais de s’en servir également. D’après le modèle théorique de la nucléosynthèse primordiale, il montre que le ratio des abondances 3He/4He dépend des deux paramètres Neff et densité baryonique, mais de façon inverse à la dépendance du ratio 2H/1H : Quand Neff augmente, 2H/1H augmente tandis que 3He/4He doit diminuer… En combinant les analyses des ratios des isotopes des deux éléments, la valeur de Neff peut alors être mieux contrainte qu’avec l’hélium-4 seul (ou avec le ratio 2H/1H seul).


Neff en fonction de la densité de baryons pour différents niveaux d'incertitudes (à gauche et à droite), la zone en gris (CMB) est issue de mesures du CMB par Planck, en bleu : à partir du ratio H-2/H-1 et en vert la nouvelle mesure proposée par Cooke. En rouge : la mise en commun des mesures issues de la nucléosynthèse (bleu+vert)  (R. Cooke, ApJL)
Cela semble une belle idée mais il faut pouvoir mesurer l’abondance en helium-3 primordial maintenant… ainsi qu’améliorer les incertitudes existantes sur les taux de certaines réactions nucléaires impliquant l’hélium-3, qui sont encore assez grandes.
La vie de l’hélium-3 est complexe, il est à la fois détruit et produit dans les étoiles : produit dans des étoiles de faible masse et détruit par des étoiles massives. De plus, l’hélium-3 est environ 10 000 fois moins abondant que l’hélium-4, ce qui rend la détection de ses raies d’émission d’autant plus difficile, car elles peuvent se confondre avec celles de l’hélium-4 par exemple lorsque ces dernières subissent un élargissement spectral à cause de la présence de turbulences.

Afin d’illustrer la performance atteignable par sa méthode d’analyse, Cooke prend pour valeur du ratio 3He/4He celle qui est mesurable sur des météorites du système solaire dont on sait qu’elles datent de la formation du Soleil (4,6 milliards d’années).
Mais il faudra trouver d’autres sources d’hélium-3 plus représentatives de l’abondance primordiale. Celles-ci pourraient se trouver dans des nuages de gaz proches à faible métallicité (régions H II), mais nécessitant des observations spectrométriques très délicates. Ryan Cooke estime que seuls les futurs télescopes de très grand diamètre (30 m ou plus) du type European Extremely Large Telescope ou Thirty Meter Telescope seront à même de fournir ces données observationnelles.

Bien que difficile à mettre en œuvre, cette nouvelle méthode de test des paramètres du modèle standard cosmologique s’avère très intéressante car elle pourrait être à l’origine de la mise en évidence de réelles anomalies sous-jacentes. Toutes les nouvelles méthodes pour en savoir plus sont bonnes à prendre.


Source : 

Big Bang nucleosynthesis and the helium isotope ratio
Ryan J. Cooke
The Astrophysical Journal Letters, Volume 812, Number 1 (9 October2015)