Galaxies et élémentscomment les étoiles ont construit le tableau périodique

Les éléments du tableau périodique ont été forgés pas à pas dans les étoiles, et la mort des étoiles les a dispersés dans l'espace. Trois noyaux d'hélium font du carbone. La combustion du carbone commence à accumuler l'oxygène dont la vie a besoin. La combustion du silicium va jusqu'au fer, où la fusion s'arrête. Les éléments plus lourds, comme l'or, le platine et l'uranium, doivent être forgés par le processus r lors de fusions d'étoiles à neutrons.

Cette ère va de 1 à 9 milliards d'années. C'est aussi l'ère où les galaxies ont grandi : elles ont grandi par collisions, et la Voie lactée est une galaxie spirale barrée dont les étoiles se forment surtout dans les bras spiraux.

Sept événements

• Naissance du carbone (processus triple alpha) : trois noyaux d'hélium fusionnent en carbone.
• Naissance de l'oxygène (combustion du carbone) : l'oxygène dont la vie a besoin commence à s'accumuler.
• Pic du fer (combustion du silicium) : la fusion s'arrête au fer. La combustion par fusion seule s'arrête ici.
• Processus r (fusions d'étoiles à neutrons) : l'or, le platine et l'uranium sont forgés.
• 1 milliard d'années · Protogalaxies : les galaxies grandissent par collisions.
• 4 milliards d'années · Formation de la Voie lactée : une galaxie spirale barrée prend forme.
• 8 milliards d'années · Bras spiraux : la formation d'étoiles se concentre dans les bras spiraux.

Comment les éléments ont été cuisinés

Pour que les étoiles fabriquent assez de carbone, le carbone 12 doit avoir un niveau d'énergie particulier. C'est une conclusion prédite d'abord et confirmée ensuite par l'expérience. L'article traite des réactions nucléaires dans les étoiles très chaudes et de la synthèse des éléments du carbone au nickel (Hoyle, The Astrophysical Journal Supplement, 1954). Quelques années plus tard, un article d'une centaine de pages a expliqué systématiquement comment les étoiles forgent pas à pas les éléments du tableau périodique. La formule « nous sommes tous de la poussière d'étoiles » commence ici (Burbidge, Burbidge, Fowler et Hoyle, Reviews of Modern Physics, 1957).

D'où vient l'or

Comment les étoiles à neutrons ont-elles été découvertes ? La doctorante Jocelyn Bell a remarqué un signal radio qui pulsait avec une précision de fraction de seconde. On l'a d'abord appelé en plaisantant « petits hommes verts », puis il s'est avéré être une étoile à neutrons (Hewish, Bell et al., Nature, 1968). Quand deux étoiles à neutrons ont fusionné, les humains ont pour la première fois à la fois « entendu » et « vu » le même événement cosmique, ce qu'on appelle une kilonova (Abbott et al., Physical Review Letters, 2017). La matière éjectée par la fusion contient de grandes quantités d'éléments lourds, et l'or de votre bague vient très bien d'une telle collision (Kasen et al., Nature, 2017).

Galaxies et matière noire

Comment les galaxies grandissent-elles ? Si la matière noire est « froide », c'est-à-dire lente, les galaxies s'assemblent de bas en haut, pas à pas, ce qui correspond aux observations (Blumenthal, Faber, Primack et Rees, Nature, 1984). Des simulations informatiques ont aussi montré que les halos de matière noire froide, des galaxies naines aux amas de galaxies, suivent la même courbe de densité, nommée ensuite d'après ses trois auteurs (Navarro, Frenk et White, The Astrophysical Journal, 1996).

Voir clairement les galaxies

Le télescope Hubble a fixé pendant dix jours de pose une petite région de ciel « vide » et a capturé environ 3 000 galaxies (Williams et al., The Astronomical Journal, 1996). Le satellite Gaia a mesuré les positions et les mouvements de plus d'un milliard d'étoiles et dressé la carte 3D la plus détaillée de la Voie lactée (collaboration Gaia, Astronomy & Astrophysics, 2018). Des galaxies encore plus anciennes ont été trouvées : le télescope Webb a confirmé des galaxies brillantes qui existaient environ 300 millions d'années seulement après le début de l'univers, bien plus tôt que prévu. L'article est une confirmation spectroscopique de deux galaxies lumineuses à un décalage vers le rouge de 14 (Carniani et al., Nature, 2024).

Envie de lire les originaux ? Cherchez ces titres

• Hoyle (1954) : On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel
• Burbidge et al. (1957) : Synthesis of the elements in stars
• Hewish, Bell et al. (1968) : Observation of a rapidly pulsating radio source
• Abbott et al. (2017) : GW170817: Observation of gravitational waves from a binary neutron star inspiral
• Kasen et al. (2017) : Origin of the heavy elements in binary neutron-star mergers from a gravitational-wave event
• Blumenthal et al. (1984) : Formation of galaxies and large-scale structure with cold dark matter
• Navarro et al. (1996) : The structure of cold dark matter halos
• Williams et al. (1996) : The Hubble Deep Field: Observations, data reduction, and galaxy photometry
• Collaboration Gaia (2018) : Gaia Data Release 2. Summary of the contents and survey properties
• Carniani et al. (2024) : Spectroscopic confirmation of two luminous galaxies at a redshift of 14

Comment le jeu le montre

Dans le jeu, la plage de temps de l'ère Galaxies et éléments est « de 1 à 9 milliards d'années » et sa ressource est les éléments lourds. Les générateurs sont Fusion stellaire, Explosions de supernovæ, Fusions d'étoiles à neutrons et Recyclage du milieu interstellaire, nommés d'après la chaîne de montage des éléments décrite plus haut.