Question des jeunes — Comment les éléments chimiques sont-ils fabriqués?
Est-ce qu’on vous a déjà dit que vous êtes faits de poussière d’étoile? Eh bien, c’est vrai.
par Un élément chimique est toute substance entièrement formée d’atomes de même type — les atomes sont les composants de base de la matière.
Nous savons que les atomes sont constitués de 3 ingrédients : des protons, des neutrons et des électrons, qui font partie des plus petites particules de la nature. Chaque type d’atome, et donc chaque élément, est défini par le nombre de protons qu’il y a dans son noyau.
Nous pouvons trouver plus de 90 éléments sur la Terre aujourd’hui. Le plus léger, l’hydrogène, ne possède qu’un seul proton dans son noyau. Vient ensuite l’hélium (qui a 2 protons), puis le lithium (3 protons), et ainsi de suite jusqu’à l’uranium, dont le noyau compte 92 protons.
Mais si vous avez déjà vu un tableau périodique des éléments, vous savez que ce n’est pas tout. Il y a en fait 118 éléments : les éléments supplémentaires sont créés de manière artificielle ou en très petite quantité quand d’autres éléments se décomposent. Le tableau périodique énumère tous les éléments en les regroupant selon des critères spécifiques. (Fait amusant, 2019 est l’année internationale du tableau périodique!)
Mais d’où viennent les éléments? C’est une grande question dont la réponse est éclatante. Tous les éléments qui nous entourent — toutes ces petites pièces qui se combinent pour former nos cheveux, nos vêtements, l’herbe et les arbres — viennent des étoiles.
Les éléments les plus légers — l’hydrogène, l’hélium et le lithium — se sont formés peu après le Big Bang, une fois que l’univers se fut refroidi suffisamment pour que les protons, les neutrons et les électrons puissent s’assembler sans se détacher les uns des autres. L’univers s’est ensuite refroidi davantage, et des étoiles se sont formées. Les réactions de fusion qui se déroulent dans le cœur ultrachaud des étoiles ont alors commencé à utiliser les 3 ingrédients issus du Big Bang pour former des éléments plus lourds.
Tout commence par la fusion de l’hydrogène : des atomes d’hydrogène se combinent pour donner de l’hélium et de l’énergie (lumineuse). Cette énergie empêche l’étoile de s’effondrer sur elle-même sous la force de gravité. Mais une fois que l’étoile a épuisé son carburant initial, la gravité l’emporte et le cœur de l’étoile s’effondre, laissant une coquille d’hydrogène et d’hélium.
Un nouveau cycle commence. Le cœur condensé s’échauffe au point où il a assez d’énergie pour la prochaine phase : la fusion d’atomes d’hélium. Cette fusion produit 2 autres éléments — le carbone et l’oxygène — qui forment de nouvelles couches dans l’étoile.
Pour les petites étoiles comme notre Soleil, c’est la fin de l’histoire. Elles ne deviennent pas assez chaudes pour fusionner des éléments plus lourds. Mais pour les étoiles massives, ces cycles de fusion-effondrement-fusion se poursuivent, sous l’impulsion de l’énorme force de gravité présente au cœur de ces étoiles. Chaque phase est de plus en plus chaude et de plus en plus courte, produisant encore davantage d’éléments — jusqu’au fer. Ce processus crée tous les éléments communs, qui composent à 99 % la Terre et tout ce qu’elle contient.
Comme il faut une quantité énorme d’énergie pour fusionner des atomes de fer, une fois que le cœur de l’étoile est formé de fer solide, l’étoile implose et cette matière rebondit dans une explosion spectaculaire appelée supernova. L’incroyable énergie de la supernova permet alors de former par fusion des éléments plus lourds comme l’or, le cuivre, le zinc et le platine.
Mais ce n’est pas le seul endroit où ces éléments sont fabriqués. Ils sont aussi créés lors de collisions d’étoiles à neutrons superdenses, qui concentrent d’énormes quantités de matière dans un très petit espace. (Pensez à notre Soleil — NdT : d’un diamètre de plus de 1 390 000 km — condensé dans une sphère de seulement 10 kilomètres de diamètre.)
Lorsque 2 étoiles à neutrons entrent en collision, elles se déchirent mutuellement et rejettent un nuage de neutrons qui subit une désintégration radioactive. Ce processus, appelé par les scientifiques processus r, change l’identité chimique des atomes et produit la moitié des éléments lourds. Les scientifiques ont finalement eu la preuve de ce processus en 2017 lorsqu’ils ont enregistré la collision de 2 étoiles à neutrons dans la constellation de l’Hydre.
La prochaine fois que vous entendrez que nous sommes tous faits de poussière d’étoile, vous pourrez ajouter que c’est absolument vrai!
