La relation mystérieuse entre les téléphones portables et le Big Bang | Vide cosmique

Quel est le rapport entre les batteries de téléphones portables et les débuts de l’univers ? Pour répondre à cette question, faisons un voyage fantastique. Imaginons que tout ait commencé il y a 20 secondes. Quand je dis « tout », je parle de l’univers lui-même. Quand j’écris « a commencé », je veux dire que même le temps a commencé son existence telle que nous la connaissons aujourd’hui (ou pensons la connaître). Nous sommes à 20 secondes du Big Bang. À cette époque, la température de l’univers entier est de 1 milliard de degrés, soit près de 100 fois supérieure à la température à l’intérieur du Soleil, et n’est atteinte dans certaines étoiles que pendant de brèves périodes explosives. La densité de l’univers entier à cette époque est d’environ 10 000 kg/m³, ce qui n’est pas non plus si élevé, des dizaines de fois inférieure à celle de l’intérieur du Soleil, et même inférieure à la chose la plus dense que nous ayons sur Terre, l’osmium ou l’iridium.

La comparaison avec le Soleil n’est pas anodine. La température et la densité sont si extrêmes dans cet univers nouveau-né (bien que le concept de naissance soit étrange, sa vie ne commence pas dans un environnement, c’est l’environnement lui-même) qu’il est hautement probable que les particules entrent en collision et fusionnent, comme dans le Soleil et, encore une fois, tout comme le Soleil, les particules de matière. normale Ce qui existe dans ces conditions, ce sont fondamentalement des protons, des neutrons et des électrons, baignés par une mer de photons, de neutrinos et d’autres particules plus exotiques (si exotiques que certaines n’ont pas de masse). Juste après 20 secondes sur l’horloge cosmique, les fusions sont aussi probables que les fissions. En effet, il existe des protons et des neutrons qui se rencontrent, entrent en collision et s’unissent pour former d’autres particules, que l’on appelle des atomes. Plus précisément, les noyaux des atomes, car les électrons ont trop d’énergie pour être attirés vers les noyaux, et des centaines de milliers d’années s’écouleront. De même, à la température et à la densité que nous avons mentionnées, les atomes entrent également en collision et se divisent, libérant des protons et des neutrons, ou des ensembles d’entre eux.

Mais il existe une différence essentielle entre cet univers de 20 secondes et l’intérieur du Soleil. Même si notre étoile est stable et que la température, la densité et la taille restent assez constantes tandis que l’énergie est créée lors de réactions de fusion, l’univers n’est pas du tout stable. dans une propriété : l’espace-temps s’agrandit, son volume devient de plus en plus grand. Si le contenu de l’univers ne change pas (il ne peut rien prendre d’un autre endroit, ni le lâcher, c’est « tout » qui existe) et que le volume augmente, alors la densité, qui est la masse divisée par le volume, diminue. Cela signifie qu’il est de plus en plus difficile de réaliser des fusions et des fissions, de nombreux atomes déjà formés ne pouvant être détruits. Et il viendra un moment où plus aucun atome ne se formera, tous les poissons seront vendus à cette étape de l’univers que nous appelons la nucléosynthèse du Big Bang. BBN est la façon dont on l’écrit habituellement, nous, physiciens, sommes paresseux et utilisons de nombreux acronymes (la plupart d’entre eux viennent de l’anglais, comme ce cas).

Le voyage que je décris, plus que réalisé par une seule personne, est le voyage de l’univers entier. Et quelles preuves avez-vous que ce voyage a existé ? Eh bien, avec leurs « photos souvenirs », qu’on identifie ici avec beaucoup de difficulté. Et c’est là que les batteries de notre titre entrent en jeu. Le processus de formation des noyaux avant l’entrée en jeu des étoiles n’aurait dû pouvoir créer que des atomes avec 2 protons, ce qui définit l’élément appelé hélium, 3 protons, qui est le lithium, et certains avec 4 protons, qui sont le béryllium. En plus de ces trois types d’éléments, auxquels est attaché l’élément à un seul proton, qui est l’hydrogène, des noyaux de chaque élément avec un nombre différent de neutrons doivent avoir été formés. Par exemple, des atomes d’hydrogène avec un proton et un neutron, appelés deutérium, ou avec un proton et deux neutrons, appelés tritium. Ou des éléments avec deux protons et deux neutrons, appelés hélium-4, la forme la plus normale d’hélium, qui peut également apparaître sous forme d’hélium-3, qui est deux protons et un neutron. Ou des éléments avec quatre protons et trois neutrons, appelés béryllium-sept, et qui sont l’isotope de cet élément qui a dû se former dans ce BBN.

Pourquoi d’autres éléments ne se sont-ils pas formés ? Combien d’atomes et d’isotopes de chaque type se sont formés ? Combien de temps a duré cette étape de l’univers ? Qu’est-il arrivé aux atomes qui ont été créés à cette époque dans le reste de l’histoire de l’univers ? Pour répondre à ces questions, vous devez connaître plusieurs choses et former une théorie qui les unit et qui soit vérifiable. Nous devons connaître les propriétés générales de l’univers, comme l’évolution de sa température et de sa densité, ce qui signifie en réalité bien connaître l’expansion dans ces premiers instants du cosmos. Ces données sont essentielles pour connaître la probabilité de rencontres entre particules. Nous devons également connaître des propriétés physiques que nous pouvons étudier en laboratoire, comme la probabilité qu’un proton et un neutron s’unissent pour former du deutérium, ou comment cette probabilité dépend de l’énergie des deux particules (qui dépend de la température). ). Il faut aussi connaître les réactions de tous les autres atomes, même si le travail en laboratoire est compliqué car pour former de l’hélium-4, par exemple, on peut le faire avec une collision de l’hélium-3 avec un neutron, ou en unissant deux deutériums, ou en détruisant un béryllium-7, les méthodes d’entraînement pertinentes sont déjà nombreuses.

La chose ne s’arrête pas là, les quantités d’hydrogène “normal”, et de deutérium, hélium-3, hélium-4 ou béryllium-7 formés dépendent du nombre de protons et de neutrons qu’il y avait au début du processus, qui s’additionnent donne la masse entière de matière normale du cosmos. Et il faut aussi considérer que les neutrons sont très instables, ne durent qu’une dizaine de minutes avant de se désintégrer en un proton et un électron (et d’autres particules), à moins qu’ils ne s’unissent aux protons d’un noyau atomique, ce qui les rend beaucoup plus stables. Bien que pas complètement, certains noyaux sont également très instables, dit-on radioactifs, comme c’est le cas du béryllium-7. L’ensemble du processus BBN dépend également du nombre de photons présents dans l’univers et de leur énergie. Beaucoup d’ingrédients différents !

Comme nous l’avons dit, si nous combinons toutes nos connaissances dans une théorie, nous devons pouvoir la vérifier avec des données. Et voici la partie astrophysique et la relation avec les téléphones portables. Notre théorie de la nucléosynthèse du Big Bang prédit que le processus a duré une vingtaine de minutes et que 75 % de la masse de tous les atomes créés étaient sous forme d’hydrogène (c’est-à-dire des protons « restants »), et pratiquement tout le reste était de l’hélium, à l’exception de 0,01 % de deutérium et d’hélium-3 et d’un milliardième de lithium. Celles-ci sont connues sous le nom d’abondances BBN.

Les abondances d’hydrogène et d’hélium que nous observons et mesurons aujourd’hui, en tenant compte correctement des éléments que les étoiles ont formés et des très petites variations qu’elles ont subies au fil du temps en raison d’autres processus, sont extrêmement similaires à ce que prédit la théorie du Big Bang. . Aussi les abondances de deutérium et d’hélium-3. Mais ce n’est pas le cas de l’abondance du lithium : dans l’univers actuel, il devrait y avoir environ trois fois plus de lithium qu’il n’y en a ou, du moins, que ce que nous mesurons.

Le lithium, indispensable à la fabrication des batteries de nos téléphones portables et autres appareils utilisant des batteries rechargeables, comme les ordinateurs portables ou les voitures électriques, est bien moins abondant que prévu. Parce que? Une réponse possible est qu’il y a quelque chose qui ne va pas dans la théorie du Big Bang, quelque chose que nous ne comprenons pas sur le comportement du lithium dans le BBN ou après. Alternativement, peut-être plus probablement, nos mesures de l’abondance du lithium dans l’univers aujourd’hui (14 milliards d’années après ces 20 secondes primitives du BBN) sont erronées en raison d’un phénomène que nous n’avons pas pris en compte. Les entreprises qui fabriquent des batteries doivent être prudentes, il doit sûrement y avoir beaucoup plus de lithium. Il y a des affaires (et des sciences fondamentales) là-bas.