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Cosmologie : l'énigme du lithium se confirme

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Plusieurs des prédictions de la théorie de la nucléosynthèse primordiale, l'un des piliers de la théorie du Big Bang, ont été couronnées de succès. Mais un désaccord subsistait entre les prévisions de la théorie et les observations quant à l'abondance du lithium dans la Voie lactée. Une équipe internationale d'astronomes, en mesurant une distribution similaire en dehors de notre galaxie, vient de confirmer qu'il s'agit bien d'une véritable énigme cosmologique.

L'amas globulaire Messier 54 (M54) vu par le télescope de sondage du VLT à l'observatoire de Paranal de l'ESO au nord du Chili. Même s'il ressemble à beaucoup d'autres, il n'appartient pas à la Voie lactée, mais à la galaxie naine du Sagittaire. Les astronomes ont donc pu y mesurer l'abondance de lithium au sein d'étoiles extérieures à la Voie lactée. Réponse en forme d'énigme : elle y est, comme autour de nous, en quantité plus faible que celle prédite par les modèles. © ESO

Les amas globulaires constituent des mémoires de la formation des galaxies et de l'état de la matière au moment où elle a démarré. Ces ensembles sont majoritairement peuplés d'étoiles âgées d'au moins 10 milliards d'années et ayant atteint un stade d'évolution similaire. Pauvres en métaux, c'est-à-dire, dans le jargon des astrophysiciens, en éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium, ces étoiles ont dû se former en même temps et sont contemporaines des plus vieilles étoiles des galaxies.

On peut donc espérer y mesurer des abondances des éléments légers qui vont des isotopes de l'hydrogène à ceux du lithium avant que ceux-ci ne fussent significativement transformés en éléments plus lourds par la nucléosynthèse. Des mesures fines de ces abondances peuvent donc servir à contraindre la théorie de la nucléosynthèse primordiale décrivant la production d'éléments légers quelques minutes après le Big Bang.

La théorie du Big Bang produit des prédictions bien précises pour les abondances des éléments légers synthétisés quelques minutes après la naissance de l’univers. En fonction de la densité de matière ordinaire, les abondances de deutérium et d’hélium 3 ne sont pas les mêmes, comme le montre ce schéma. Les mesures de WMap, affinées par celles de Planck, conduisent aux prédictions des abondances relatives des éléments légers par rapport à l’hydrogène que l’on voit indiqué par la barre rouge verticale. Dans la Voie lactée, l’accord est bon avec les observations, sauf pour le lithium 7. © Nasa

Un amas globulaire autour de la galaxie naine du Sagittaire

Une équipe internationale d'astrophysiciens dirigée par Alessio Mucciarelli (université de Bologne, Italie), impliquant un chercheur du CNRS travaillant au laboratoire Galaxies, étoiles, physique et instrumentation de l'Observatoire de Paris (Gepi), s'est penchée sur la détermination des abondances de lithium dans les étoiles âgées dans l'amas globulaire Messier 54 (M54). On pensait autrefois qu'il était un des nombreux amas satellites de notre Voie lactée, mais on a fini par découvrir en 1994 qu'en réalité, il est en orbite autour de la galaxie naine du Sagittaire. Le spectrographe Giraffe construit au Gepi et qui équipe le VLT (Very Large Telescope) de l'ESO depuis 2002 a ainsi permis d'évaluer les abondances de lithium dans un environnement situé à environ 90.000 années-lumière de notre galaxie. Les résultats de ces observations viennent d'être publiés dans un article disponible en accès libre sur arxiv.

Un voyage au-delà du centre galactique, de l’autre côté de la Voie lactée, non loin de l’amas globulaire Messier 54 (M54). Le cliché final a été acquis par le télescope de sondage du VLT à l’Observatoire de Paranal de l’ESO au nord du Chili. © ESO, N. Risinger, YouTube

Vers une nouvelle physique ?

Les observations ont porté sur des étoiles géantes de M54, mais la théorie de l'évolution stellaire permet de connecter les abondances de lithium dans ces étoiles à celles des naines dans cet amas globulaire, ce qui permet, finalement, d'établir des comparaisons avec les étoiles naines âgées de la Voie lactée. Dans notre galaxie, les abondances de lithium mesurées sont trois fois plus faibles que celles prédites par la théorie du Big Bang. Toutefois, ce désaccord pouvait être le fruit de fluctuations statistiques dans la répartition des éléments légers faisant de notre Voie lactée un simple accident historique local. En moyenne, à plus grande échelle et dans d'autres galaxies, la distribution de lithium resterait alors en bon accord avec la théorie de la nucléosynthèse primordiale.

Mais d'après les mesures faites avec M54, ce ne serait pas le cas. Les abondances de lithium sont très similaires à celles mesurées dans notre galaxie. Le lithium est donc au cœur d'une belle énigme au niveau de la cosmologie elle-même.

Comment résoudre ce problème ? Les calculs issus de la nucléosynthèse primordiale sont basés sur de la physique nucléaire bien connue et reproductible en laboratoire. Il semble qu'il faille introduire des éléments nouveaux, soit en ce qui concerne la période de la nucléosynthèse quelques minutes après le Big Bang (par exemple avec des particules supersymétriques qui se désintègrent), soit au niveau de la physique des étoiles. Du lithium a peut-être été détruit au sein des étoiles de première génération dont on sait encore peu de choses, ou bien encore au cours de l'évolution des étoiles standards sur la séquence principale.

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