La nucléosynthèse primordiale

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1 La nucléosynthèse primordiale

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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 = ± ± 0.005 November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

11 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

12 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

13 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

14 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 < WB h2 < 0.023 November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

15 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 = ± Observé Y = ± 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

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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  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 = ± 0.8 s => il peut exister d’autres noyaux que l’hydrogène November 15, 2018 Alain Bouquet - PCC Collège de France

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