La Disparition du Lithium

Comme vous le savez peut-être, les atomes d’hydrogène dont vous êtes faits, ceux que l’on trouve dans les molécules d’eau, dans toutes les molécules organiques, sont âgés de 13.7 milliards d’années. Et c’est également le cas pour les noyaux d'atomes de lithium, dont on se sert aujourd’hui abondamment dans nos batteries. Le lithium est un élément léger, qui n’est composé que de trois protons et de quatre (ou trois) neutrons. Et tout comme l’hydrogène et l’hélium, le lithium a été produit dans les tous premiers instants de l’Univers, exactement entre la deuxième et la cinquième minute après la singularité, dans une phase qui est appelée la Nucléosynthèse Primordiale. Nucléosynthèse : synthèse des noyaux d’atomes ; primordiale : au début…

La nucléosynthèse primordiale a produit uniquement les premiers éléments de la table de Mendeleiev et leurs différents isotopes : hydrogène, deuterium, tritium, helium, lithium-6, lithium-7 et béryllium-7 par un jeu complexe de réactions nucléaires successives après la formation des premiers protons et neutrons par assemblage des quarks élémentaires up et down... Elle s'est brutalement arrêtée au bout de quelques minutes quand la densité et la température de l'Univers sont devenues trop faibles.

Mais revenons au Lithium.

Aujourd’hui, nous trouvons du Lithium assez abondamment dans la croûte terrestre (92.5% de Li-7 et 7.5% de Li-6), il provient de la même matière que celle qui a conduit à la formation du Soleil. Le Soleil possède donc aussi une certaine quantité de Lithium primordial.

Pour fixer les idées, il faut savoir que les quantités de lithium sont des milliards de fois plus faibles que celles de l’hydrogène et de l’hélium, qui dominent largement la matière baryonique de l’Univers.

Pour connaître ces quantités de matière, on utilise des mesures spectrométriques sur des étoiles. Mais les quantités de Lithium mesurées dans les étoiles posent un sérieux problème. Et depuis longtemps. Elles ne correspondent pas du tout à ce qui est attendu selon le modèle du Big Big et de sa nucléosynthèse primordiale.

La meilleure façon d’évaluer la quantité d’éléments légers primodiaux présents est d’observer la composition de l’atmosphère de vieilles étoiles dans notre galaxie par des techniques de spectrométrie. En effet, les étoiles sont formées de couches en pelure d’oignon, les réactions de fusion thermonucléaire ont lieu dans leur cœur, mais pas à leur surface. La composition de la surface doit ainsi refléter la composition originelle de la matière qui s’est condensée pour former l’étoile. 

Et pourquoi regarder les vieilles étoiles ? Simplement pour éliminer les objets de seconde génération dont l’historique de la composition serait plus complexe à retracer.

Les quantités trouvées d’hydrogène et d’hélium collent parfaitement avec ce qui est calculé via la nucléosynthèse primodiale, mais pas pour le lithium ! La fraction de lithium apparaît systématiquement trop faible dans les étoiles. Quatre fois trop peu, ce qui est considérable.

Petit nuage de Magellan

Et comme depuis le début des années 1980, il avait été observé que la plupart (sinon toutes) les vieilles étoiles naines de masse solaire avaient la même quantité de lithium, constante, cette fraction était considérée comme étant une vraie relique primordiale, et il y aurait donc un gros soucis avec le modèle de nucléosynthèse.

Afin d’essayer de comprendre quel pouvait être l’origine de cet écart (est-ce le modèle de BigBang ? est-ce les étoiles qui dévorent le lithium ?), des astrophysiciens américain ont mesuré les quantités de lithium non plus dans les atmosphères d’étoiles, mais cette fois-ci dans le milieu interstellaire (de notre petite voisine le petit nuage de Magellan), là où se trouve le gaz qui va former des étoiles dans quelques temps.  Leurs résultats sont sans équivoque : le lithium est bien là, et dans les bonnes proportions !

Le modèle de nucléosynthèse primodiale bigbangesque serait donc cohérent, et donc, c’est du côté des étoiles qu’il faut chercher, il doit exister un phénomène physique dans les étoiles qui détruit le lithium… Mais lequel ?

Il existe de nombreux mécanismes qui peuvent détruire le lithium dans les étoiles, mais tous impliquent que la matière soit portée à plus de 2.5 millions de degrés Kelvin.  Il est très peu probable que toutes les étoiles déficitaires en lithium puisse avoir de telles propriétés. Il a également été remarqué que le déficit en lithium est d’avantage marqué pour les étoile dites à faible métallicité, c'est-à-dire composées de peu d’éléments lourds. Observations non comprises à l’heure actuelle bien sûr.

Il se trouve aussi que l’activité magnétique de l’étoile ou bien la présence d’une étoile compagnon ou de planètes influe sur la quantité de lithium en surface observée! Etonnant, non ? Les effets gravitationnels agiraient sur la distribution du lithium au sein de l’étoile, lui permettant peut-être de plonger vers le cœur pour y subir les réactions nucléaires destructrices… Mais ces points sont encore hautement spéculatifs et très mal compris...

Ce serait tout de même extrêmement innovant de pouvoir déduire la présence de planètes autour d’une étoile uniquement grâce au modèle de BigBang et en mesurant la quantité de lithium présent à sa surface par spectrométrie. Certains y pensent déjà…

source :

The lithium problem

Garik Israelian

Nature 489, 37–38 (06 September 2012)