Des chercheurs du prestigieux institut Max Planck, en Allemagne, sont parvenus à recréer l’une des toutes premières réactions chimiques qui se sont déroulées après le Big Bang. Un succès remarquable qui pourrait aider les physiciens à mieux comprendre comment notre Univers s’est formé, et comment il a évolué depuis environ 13,8 milliards d’années.
Tout au début de l’histoire de notre monde, pendant les premières secondes qui ont suivi le fameux Big Bang, l’Univers ne ressemblait à rien de ce que l’on connaît aujourd’hui. Il ne contenait pas de planètes, pas d’étoiles… et même pas le moindre atome ; ce n’était qu’une vaste soupe de particules élémentaires surchauffées à plusieurs milliards de degrés.
Quelques minutes plus tard, quand ce plasma a commencé à refroidir, les protons et les neutrons qui virevoltaient en solitaire dans cette fournaise primordiale ont commencé à s’unir pour former les premiers constituants de la matière : des noyaux d’hydrogène et d’hélium, les deux éléments les plus légers du tableau périodique. Mais ils étaient assez différents de ceux que l’on connaît aujourd’hui. À cause de la température toujours infernale (quelques centaines de millions de degrés à ce stade), ces noyaux atomiques originels n’existaient en effet que sous des formes ionisées, sans électrons gravitant autour pour équilibrer leur charge.
Une réaction vieille de 13,8 milliards d’années
Pour voir apparaître les premiers atomes neutres, comme ceux qui sont omniprésents dans l’Univers moderne, il a fallu attendre presque 400 000 ans, que la température chute encore davantage, sous le seuil des 3 000 kelvins. Cela a marqué un tournant très important dans l’histoire du cosmos : les électrons ont enfin réussi à s’installer durablement autour des noyaux atomiques, permettant la formation des éléments stables… et des premières réactions chimiques entre ces éléments. Et c’est justement l’une de ces réactions que les chercheurs du Max Planck Institute ont réussi à recréer en laboratoire.
Plus spécifiquement, leur expérience impliquait deux éléments. D’un côté, on trouve le deutérium, un isotope de l’hydrogène qui est aujourd’hui au centre de nombreuses expériences de fusion nucléaire. De l’autre, l’ion hydrure d’hélium (HeH⁺), largement considéré comme la première molécule à s’être formée dans l’histoire de l’Univers.
À l’aide du Cryogenic Storage Ring (CSR) de Heidelberg, un instrument hautement spécialisé conçu pour simuler des environnements extrêmes, ils ont réussi à faire réagir ces deux éléments entre eux. Cette interaction a produit un ion HD⁺, similaire au dihydrogène mais avec un atome de deutérium à la place du deuxième hydrogène, ainsi qu’un atome d’hélium — exactement comme le prévoient les modèles théoriques.
Pourquoi c’est important
Il s’agit d’un succès expérimental majeur, car cette réaction chimique est suspectée d’avoir joué un rôle crucial dans l’évolution de l’Univers primordial. En effet, les modèles théoriques actuels suggèrent qu’elle a contribué au refroidissement des nuages de gaz primordiaux. Or, c’est précisément cette baisse de température qui a permis à la matière de se condenser pour former les premières étoiles.
Or, ce sont ces dernières qui ont ensuite forgé les éléments plus lourds à l’origine de l’immense diversité chimique de l’Univers. En d’autres termes, en reproduisant cette réaction, les auteurs de l’étude ont contribué à affiner notre compréhension des premières étapes de l’immense réaction en chaîne qui a donné toute sa complexité à notre monde.
Mais l’objectif de cette expérience n’était pas seulement de reproduire cette réaction : ils ont aussi étudié le lien entre sa vitesse et la température. Jusqu’à présent, les spécialistes considéraient que cette vitesse diminuait probablement avec la température, mais ces mesures ont montré que ce n’est pas le cas : elle est restée quasiment constante même lorsque la température a baissé au sein du réacteur. En d’autres termes, cette réaction a sans doute continué de jouer son rôle de « catalyseur » du refroidissement sur une durée bien plus importante que prévu.
C’est une information qui pourrait significativement affecter la manière dont les chercheurs appréhendent la chimie de l’Univers primordial, notamment en ce qui concerne la formation des premières étoiles qui ont complètement transformé cet environnement par la suite. Il sera donc très intéressant de voir comment ces travaux vont affecter les modèles qui décrivent l’évolution du cosmos.
Le texte de l’étude est disponible ici.
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