La nucléosynthèse primordiale

Alain Bouquet - PCC Collège de France Survol L’univers se refroidit Quand le rayonnement domine T(t) ~ 1 MeV / √t Les énergies de liaison des noyaux sont de l’ordre du MeV Donc aucun noyau ne peut survivre au cours de la première seconde: il ne peut y avoir que des protons et des neutrons à l’origine November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Survol Les neutrons sont de 1 MeV plus lourds que les protons : ils sont donc plus rares. Quand la nucléosynthèse commence, il y a environ un neutron pour sept protons Presque tous les neutrons finissent dans l’hélium 4 => 25% d’hélium (en masse) November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Au commencement Univers très largement dominé par le rayonnement Equilibre thermique entre photons, neutrinos, électrons et nucléons Assuré par des réactions électro-magnétiques et des réactions faibles [comme la conversion neutron-proton] Puis les neutrinos cessent pratiquement d’interagir Plus de conversions neutron-proton Equilibre proton-neutron « gelé » à T ~ 0.72 MeV November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Equilibre proton-neutron A l’équilibre, la densité est Np ~ exp{–mp/T} Nn ~ exp{–mn/T} Différence de masse mn – mp = 1.3 MeV Taux de réaction ~ T5 Expansion H ~ T2 Gel pour T ~ 0.72 MeV Gel Désintégration Stabilisation dans les noyaux Nn/Np = exp{–1.3/0.72} = 1/6 Equilibre November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Réactions de fusion Fusion du deutérium Vers l’hélium 4 via le tritium ou via l’hélium 3 Plus il y a de protons et de neutrons, plus ces réactions sont fréquentes November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Evolution des noyaux A retenir : Essentiellement de l’hydrogène (protons) 25% d’hélium 4 (en masse) Traces de D, 3He, 7Li, rien de plus lourd Tout est fini en 5 mn November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Troisième goulot d’étranglement Le réseau nucléaire Deuxième goulot d’étranglement Premier goulot d’étranglement Troisième goulot d’étranglement November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Comparaison avec les observations Accord global entre les prédictions théoriques et les observations pour un intervalle réduit de la densité de baryons WB November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

L’hélium 4 est-il primordial ? Azote % oxygène Hélium % oxygène Extrapolation à zéro des 2 à la fois Azote et oxygène proviennent de la nucléosynthèse stellaire Extrapolation à zéro Y = 0.238 ± 0.002 ± 0.005 November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Le deutérium: l’idéal Pas de source astrophysique, et destruction facile Décroissance rapide de D/H quand la densité de baryons augmente : indicateur très sensible Raie d’absorption dans le spectre Lyman a des quasars Vaste sujet Résultats divergents November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

La « forêt » Lyman - alpha La raie Lyman a correspond à la transition entre les niveaux 0 et 1 de l’hydrogène : l = 122 nm La lumière d’un quasar lointain est absorbée par des galaxies, des amas ou des nuages d’hydrogène diffus, à des z plus petits La position de la raie d’absorption indique le z du nuage et sa profondeur la quantité d’hydrogène Le deutérium présente exactement les mêmes raies mais décalées de 82 km/s November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Le deutérium : pas si simple! On examine maintenant chaque raie (Lyman a, b, g, d, 5, 6...) et on cherche une petite raie qui doit se trouver 82 km/s à gauche de la raie –bien plus intense– de l’hydrogène La comparaison des profondeurs donne le rapport D/H Difficultés Quand il y a assez de D pour le détecter, il y a alors tellement de H que ses raies sont souvent saturées. Le rapport D/H est alors imprécis Les nuages ont souvent des sous-structures de vitesses différentes, et une raie de l’hydrogène masque facilement une raie du deutérium Il faut une résolution exceptionnelle du spectrographe et donc un très gros télescope : le Keck de 10 m November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Avant WMAP La densité de baryons est fixée à partir d’une abondance, et on en déduit les autres. Ou on tente un ajustement global. Remarquable cohérence du modèle au premier ordre : accord sur 9 ordres de grandeur Souci avec le deutérium ? Fenêtre commune 0.0095 < WB h2 < 0.023 November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Après WMAP La densité de baryons est maintenant fixée par la hauteur relative des 2 premiers pics acoustiques du CMB Wh2WMAP = 0.025 Cela permet de prédire toutes les abondances des éléments légers Très bon accord avec le deutérium Mais soucis avec l’hélium et le lithium WMAP Prédit Y = 0.2484 ± 0.0005 Observé Y = 0.238 ± 0.005 Prédit Li/H = (3.76 ±1.0)x10–10 Observé Li/H = (1.23 ±0.3)x10–10 November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Un monde bien conçu… Coïncidences numériques heureuses Différence de masse neutron-proton 1.293 MeV Gel du rapport neutron/proton 0.72 MeV Annihilation électron-positron 1.022 MeV Energie de liaison du deutérium 2.23 MeV Autre facteur heureux (pour nous) Nucléosynthèse entre 100 s et 200 s Durée de vie du neutron t = 885.7 ± 0.8 s => il peut exister d’autres noyaux que l’hydrogène November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

Alain Bouquet - PCC Collège de France Merci de votre attention Et de votre patience ! November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France