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L'origine de la matière

— 10 octobre 2022 —



Nous voyons le monde teinté de couleur, de texture, de matière infiniment diverse. Pourtant, toute cette matière n'a pas toujours été aussi riche et varié, et elle n'a même pas toujours été. Pour comprendre cela, nous allons remonter aux origines de l'Univers, et suivre le long processus cosmique ayant fait de nous ce que nous sommes. Dans un premier temps nous contemplerons la création des particules élémentaires à l'aube de l'Univers, puis nous plongerons au coeur des étoiles dans la fabrique des atomes, pour enfin construire des molécules grâce aux réactions chimiques présentes partout.

Il y a près de 13.7 milliards d'années, jailli du néant toute l'énergie et la matière dont est constitué l'Univers. Vous vous demandez surement comment l'existence peut elle apparaitre de l'inexistence, comment quelque chose peut être créé à partir de rien ? Cela est rendu possible grâce à un phénomène d'une amplitude cosmique nommé le Big Bang.

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Schéma de l'expansion de l'Univers depuis le Big Bang (Crédit : NASA, WMAP SCIENCE TEAM)

Durant un instant, les composantes binaires du néant furent "séparées", et une dynamique astronomique se mit en marche permettant le commencement de tout. Ces "composantes binaires" sont la matière et l'antimatière. Il est mathématiquement valide de dire que 1 - 1 = 0, tout comme il est physiquement valide de dire que matière + antimatière = néant. Il est vrai qu'en se rencontrant la matière et l'antimatière s'anihilent mutuellement en ne laissant que le néant, mais le procédé inverse a également lieu ! Depuis le néant (le vide) peut se produire de nanoscopiques fluctuations durant lesquelles une quantité égale de matière et d'antimatière surgissent du vide, puis s'anihilent presque immédiatement. Mais dans certains cas très rares et encore relativement mystérieux, les deux particules de matière et d'antimatière parviennent à s'éloigner avant de se rencontrer, et évitent ainsi de s'anihiler. C'est ainsi que du vide peut surgir la matière et l'antimatière, qui perdureront et faconneront l'Univers.

Pour en revenir au Big Bang, il faut comprendre que c'est ce phénomène de fluctuation du vide qui s'est produit, mais à une échelle d'énergie astronomiquement supérieure, produisant une explosion cosmique qui a instantanément séparé la matière et l'antimatière, laissant le champ libre au développement de notre Univers. 

Si vous prenez le temps de regarder autour de vous, vous remarquerez cependant qu'il n'y a aucune antimatière, mais seulement de la matière (rien ne s'anihile sous vos yeux... et si c'est le cas il est temps de reprendre un caché). Si la matière et l'antimatière sont apparues en quantité égale au commencement de l'Univers, alors où est l'antimatière ? C'est une très bonne question à laquelle aucun des millions de brillants cerveaux de notre planète n'a réussi à répondre de façon définitive. L'hypothèse la plus cohérente et répandue est cependant que lors de la création de l'Univers, une partie de la matière et de l'antimatière s'est effectivement anihilée ensemble, tandis que les autres parties se sont éloignées à cause de la force de l'explosion du Big Bang, et qu'avec l'action de l'expansion de l'Univers, la matière et l'antimatière n'auraient plus aucun moyen de se rencontrer puisqu'elles seraient désormais beaucoup trop éloignées l'une de l'autre. L'Univers serait donc formé d'une région de matière et d'une région d'antimatière, les deux étant séparées par une distance de vide extrêmement grande.

Nous vivons donc dans une région de matière (ou d'antimatière, c'est une question de point de vue), et à quelques milliards d'années-lumière de nous se trouve notre alter égo d'antimatière (ou de matière) avec lequel nous pourrions nous désintégrer. Voici pour l'origine cosmique de la matière. Nous allons maintenant plonger dans celle des briques élémentaires de cette matière...

Toute la matière qui nous entoure est composée d'un assemblage de particules élémentaires combinées ensemble pour former de plus gros atomes, eux même assemblés en molécules, qui à leur tour constituent tous les liquides, les gaz et les solides de notre environnement. À la base de ces assemblages se trouvent les quarks, ce sont les plus petites briques constituantes de la matière. Les quarks s'assemblent grâce à la force forte (une des 4 interactions fondamentales de l'univers) et construisent ainsi les protons et neutrons. Les électrons -une autre particule élémentaire- s'assemblent ensuite avec les protons et neutrons pour former des atomes dont la cohésion est assurée par la force électromagnétique. La construction d'atomes n'est possible qu'à des énergies astronomiquement élevées, qu'on ne rencontre que durant le Big Bang et au coeur de certaines étoiles inténsément chaude (plusieurs centaines de milliers à millions de degrés Kelvin).

Les premiers composants de la matière étant néé durant le Big Bang, il reste encore à construire les centaines d'atomes présent dans l'Univers, et pour cela, direction les étoiles !

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Les étapes de fusion thermonucléaire du Soleil dans plusieurs milliards d'années (~5) nécessaires pour maintenir sa stabilité (Crédit : T. Lombry)

Pour le commun des mortels, les étoiles sont des phares au milieu de la nuit qui ajoutent une touche de romantisme et de magie à nos vie. Mais pour les astrophysiciens, les étoiles sont des usines à atomes extrêmement puissantes.Et pour cause, le coeur des étoiles est si chaud que la fusion nucléaire s'y produit, permettant la fusion d'atomes les plus légers en des atomes plus lourds. L'atome le plus léger et le plus fondamentale de l'univers est l'atome d'hydrogène : un proton et un électron, on ne peut pas faire plus simple.

Grâce aux températures extrêmes au centre des étoiles (plusieurs millions de degrés), les atomes d'hydrogènes s'y trouvant peuvent fusionner en atomes d'hélium, puis en atomes de carbones, puis en atomes d'oxygène (avec de l'azote selon de type de réaction), puis en atome de fer... Ainsi, d'atomes en atomes plus lourds et complexes que les précédents, les étoiles produisent durant les différentes phases de leur vie les atomes que l'on va retrouver en grande quantité partout dans l'Univers, et en particulier sur Terre ! En effet, nous autres êtres vivants, sommes majoritairement constitués de carbone et d'eau (hydrogène et oxygène), c'est à dire des atomes produits par les étoiles. Nous sommes donc véritablement, chacun d'entre nous, des poussières d'étoiles.

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Cassiopeia A, le résultat d'une supernova (Crédit : Observatoire Chandra X-ray)

Lorsque les étoiles explosent (par exemple lors de supernova), toute leur matière est éjectée dans l'espace et se retrouve à la dérive dans ce qu'on appelle le milieu interstellaire. Il s'agit tout simplement de la matière "disponible" partout dans l'espace à partir de laquelle se forment par interaction électromagnétique et gravitationnelle de nouvelles étoiles, des planètes, des lunes, des astéroides... Le gaz et la poussière stellaire se combinent, et à partir d'un certain échauffement commencent à se former des molécules qui donnent lieu à des roches, des liquides et d'autres gaz qui feront parties des planètes telluriques et gazeuses.

Les premiers blocs moléculaires étant obtenus, on peut désormais se déplacer à la surface d'une planète comme la Terre pour découvrir la construction de la matière qui nous entoure et nous incarne !

Grâce aux atomes produits par les étoiles et aux premières molécules obtenues avec la formation des planètes, il est maintenant possible de s'intéresser aux réactions chimiques ayant lieux dans toute les matières à "faible" température (moins que plusieurs milliers de degrés). Les réactions chimiques sont ce qui permet aux atomes de se lier comme des briques de légo pour former de plus grandes structures possédant de nouvelles propriétés. Il en existe plusieurs sorte telle que la synthèse, l'oxydoréduction, la décomposition, la combustion, etc. Certaines réactions nécessitent l'apport de chaleur extérieur pour être réalisées, tandis que d'autres au contraire en produisent (réaction exothermique) ! Certaines s'effectuent automatiquement dès que plusieurs produits sont en contact dans un milieu solvant (comme l'eau). Certaines sont réalisées par des êtres biologiques pour assurer leur développement et fonctionnement biologique (photosynthèse, respiration, biochimie...). Le potentiel de création des réactions chimiques est gigantesque, beaucoup plus que celui des réactions atomiques, c'est pourquoi la chimie est une disciple à part entière de la physique atomique malgré l'origine commune des particules qui sont étudiées.

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La photosynthèse est une des plus belles réactions chimiques, permettant aux végétaux de croitre vers le Soleil...

C'est la chimie qui a créé la vie basée sur l'eau, et désormais c'est nous qui exploitons la chimie pour manipuler la matière à notre guise et créer la matière que nous souhaitons (métallurgie, médicaments, alimentation, maçonnerie, télescope spatial...). Nous sommes donc, à l'instar des plantes et des étoiles, des créateurs de la matière qui nous entoure. L'origine de la matière est donc multiple. À la base tout provient du Big Bang, avec la séparation de la matière et de l'antimatière. Puis les étoiles ont permis l'émergence d'atomes fondateurs qui peuplent l'Univers. Et sur chaque monde nouvellement formé, la chimie joue son rôle de production d'une matière toujours plus complexe et diverse permettant l'apparition de la vie jusqu'à la création de la matière par nous même.

 

Pour conclure, la matière est un assemblage de particules progressivement plus complexe à mesure que les échelles de tailles et d'énergies se réduisent, mais dont l'origine ultime est celle du commencement de l'Univers. Si l'on s'interroge sur la nature de ce qui nous compose, de ce qui nous entoure, et de ce qui peut constituer les autres mondes, alors il faut garder la tête tournée vers les étoiles pour se rappeler que ce sont elles qui font ce que nous sommes, et ce que nous choissisons de créer. Car après tout, notre origine est identique à notre fin, car nous ne sommes que des poussières d'étoiles.

 

À bientôt dans l'espace !



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