Depuis l'invention du tableau périodique il y a 150 ans ce mois-ci, les scientifiques ont travaillé pour remplir les rangées d'éléments et donner un sens à leurs propriétés.

Mais les chercheurs ont également poursuivi une quête parallèle :parcourir le cosmos pour découvrir d'où venaient les 118 éléments.

Après des siècles d'efforts, ils ont déterminé que la grande majorité des éléments ont été forgés dans les vies ardentes et les morts étranges des étoiles. Ils envahissent maintenant les galaxies, insuffler à la prochaine génération d'étoiles et de planètes une diversité chimique.

En effet, chaque élément sur Terre, à l'exception de quelques-uns fabriqués récemment par l'homme, a été hérité de la nébuleuse qui a donné naissance à notre système solaire il y a 4,5 milliards d'années. Cela inclut le fer dans nos gratte-ciel, le silicium dans nos ordinateurs, l'or de nos bijoux, et le calcium dans nos os.

"Il existe un lien réel entre notre galaxie - notre univers - et notre humanité à cause des éléments." dit John Cowan, astrophysicien à l'Université de l'Oklahoma.

Alors, comment la nature a-t-elle rempli le tableau périodique ? L'histoire commence au début.

Au tout début.

À moins de 15 minutes du Big Bang, des atomes d'hydrogène (numéro atomique 1) ont fusionné le nuage de particules nouveau-nées alors qu'il se dilatait et se refroidissait. Certains d'entre eux se sont rapidement combinés pour produire de l'hélium (numéro atomique 2).

Ces deux éléments représentent encore 98 pour cent de l'univers, et ils sont les principaux ingrédients des étoiles. Une astronome pionnière du nom de Cecilia Payne-Gaposchkin l'a découvert lorsqu'elle a publié la première estimation précise de la composition du soleil en 1925, renversant la croyance dominante selon laquelle il était similaire à celui de la Terre.

Les toutes premières étoiles se sont formées environ 100 millions d'années après le Big Bang, dit Jennifer Johnson, un astronome de l'Ohio State University qui a écrit une revue des origines élémentaires dans le numéro de vendredi de Science pour célébrer le 150e anniversaire du tableau périodique.

Ces étoiles étaient massives, et pendant des millions d'années, ils ont généré de l'énergie en "brûlant" de l'hydrogène, en combinant des atomes en hélium par fusion nucléaire, comme le fait le soleil aujourd'hui.

Finalement, cependant, toutes les étoiles sont à court d'hydrogène. Puis ils se mettent à fabriquer des éléments de plus en plus lourds à un rythme de plus en plus frénétique, remplir les trois prochaines lignes du tableau périodique dans le processus.

Pour un moment, ils brûlent l'hélium en carbone (numéro atomique 6) et en oxygène (numéro atomique 8). Dans les derniers siècles de la vie d'une étoile massive, il convertit le carbone en éléments comme le sodium (numéro atomique 11) et le magnésium (numéro atomique 12).

Dans les dernières semaines, les atomes d'oxygène fusionnent en silicium (numéro atomique 14), phosphore (numéro atomique 15), et le soufre (numéro atomique 16). Et dans les tout derniers jours de la très longue vie d'une star, il produit des métaux comme le fer (numéro atomique 26).

Il y a quelque chose de merveilleusement prosaïque là-dedans, dit Johnson. "C'est une échelle de temps humaine."

Vient ensuite ce que les astronomes appellent sinistrement la « catastrophe de fer ». La fusion ne peut pas combiner des éléments plus lourds que le fer, alors l'étoile manque brusquement de jus.

"Il entre en chute libre, ", a déclaré Johnson.

En moins d'une seconde, l'étoile s'effondre sur elle-même puis explose en supernova, crachant ses éléments nouvellement créés dans l'univers.

Les supernovae peuvent également libérer des rayons cosmiques qui brisent des atomes plus gros pour créer du lithium (numéro atomique 3), le béryllium (numéro atomique 4) et le bore (numéro atomique 5). Ce processus est la principale source de ces éléments dans l'univers.

Que les éléments jusqu'au fer aient été cuisinés en étoiles est plus ou moins établi depuis des décennies, grâce aux travaux de l'astronome britannique Fred Hoyle. Les origines du reste des éléments ont été plus difficiles à cerner.

Les débuts d'une réponse sont venus dans un article historique de 1957 écrit par l'astronome de Caltech Margaret Burbidge et son mari, George, avec Hoyle et un autre scientifique éminent, William Fowler. (Le papier, qui commence par les réflexions de Shakespeare sur les étoiles, est depuis devenu si célèbre que les scientifiques l'appellent simplement B2FH, pour les initiales de ses auteurs.)

Les éléments lourds se forment lorsqu'un atome germe comme le carbone ou le fer est bombardé de neutrons et les capture dans son noyau.

"Il les avale tous, " dit Anna Frebel, un astronome au MIT. "Alors la question est, ça te plait ou pas ? Et généralement, ce n'est pas le cas." Ainsi, l'atome subit une désintégration radioactive, et émerge finalement comme un élément plus lourd et plus stable.

B2FH a expliqué comment ce processus pourrait se produire rapidement ou lentement.

Un candidat évident pour le processus rapide était le chaos d'une supernova. Mais ces dernières années, les scientifiques ont commencé à remettre en question cette idée. "Il n'y a probablement pas assez de punch même dans une explosion de supernova massive pour créer tous ces éléments, ", a déclaré Frébel.

Certaines des preuves proviennent des recherches de Frebel sur une petite galaxie qui contenait des tas d'or et d'autres éléments lourds. Si tous avaient été le résultat de supernovae, il en aurait fallu tellement que "vous allez faire exploser la galaxie, " elle a dit.

Au lieu, les scientifiques ont commencé à privilégier un autre phénomène :les fusions entre étoiles à neutrons.

Les étoiles à neutrons sont des sphères ultra-denses laissées pour compte après la mort d'étoiles massives. Ils peuvent avoir des diamètres aussi petits que 12 miles et des masses jusqu'à 2,5 fois celles du soleil. Parfois, deux d'entre eux s'enferment dans un tango mortel, en spirale l'une vers l'autre jusqu'à ce qu'elles entrent en collision.

Ces fusions libèrent une pluie de neutrons suffisamment intense pour créer les éléments les plus lourds de l'univers, comme l'uranium (numéro atomique 92) et le plutonium (numéro atomique 94).

Cette idée a été renforcée en 2017, lorsque l'Observatoire des ondes gravitationnelles par interféromètre laser a détecté pour la première fois une collision d'étoiles à neutrons. Les chercheurs ont étudié la lumière de l'explosion et ont trouvé les empreintes digitales révélatrices d'éléments lourds, y compris l'or.

Les scientifiques doivent encore démêler les rôles relatifs des fusions de superovules et d'étoiles à neutrons. Mais Frebel a déclaré que les scientifiques se rapprochent de la compréhension de la source de chaque élément.

"Le dernier grand écart a été comblé, " dit-elle. " C'est juste sympa. "

Les premières fusions d'étoiles à neutrons ont eu lieu après la mort de la première génération d'étoiles, et ils ont éclaboussé le cosmos de toutes sortes de nouveaux atomes.

Cela inclut certains qui sont si instables qu'ils n'existent pas dans notre système solaire aujourd'hui, à l'exception de quelques millisecondes dans le laboratoire d'un chercheur.

« Tu fais tout le chemin à travers le tableau périodique, " a déclaré Johnson. " Donc, environ 200 millions d'années après le Big Bang, vous avez créé une partie de chaque élément."

Mais la composition de l'univers ne cessait de changer. Au cours du prochain milliard d'années, de nouveaux processus cosmiques ont commencé à augmenter l'abondance de certains éléments alors que de plus petites étoiles commençaient à se former.

Ces étoiles ne sont pas assez grosses pour produire quelque chose de plus lourd que du carbone et de l'oxygène, ou pour exploser en supernovae massives. Au lieu, quand la fusion dans leurs noyaux cesse, ils se décomposent en naines blanches.

Les naines blanches peuvent entrer en collision, déclenchant un processus de fusion incontrôlable qui convertit presque tout dans l'étoile en fer. "Vous pouvez créer essentiellement une bombe de fer, ", a déclaré Frébel.

Avant ça, pendant leur mort prolongée, certaines étoiles de faible masse peuvent également incuber des éléments lourds. Les neutrons restants de leurs jours de combustion d'hélium se diffusent dans les noyaux d'autres éléments à un rythme d'environ un toutes les quelques semaines ou quelques mois, construisant progressivement des atomes plus lourds qui traversent le tableau périodique.

Il faut plus de 100 neutrons capturés pour convertir un atome de fer en un élément des terres rares comme le lanthane (numéro atomique 57) ou le lutétium (numéro atomique 71). Cependant, il y a plein de ces étoiles, et ils traînent longtemps, ils produisent donc environ la moitié des éléments plus lourds que le fer.

Un astronome nommé Paul Merrill a trouvé des preuves de ce processus en 1951. Travaillant à l'observatoire du mont Wilson au-dessus de Los Angeles, il a identifié l'élément radioactif technétium (numéro atomique 43) chez un malade, étoile ancienne.

Les scientifiques savaient que le technétium était instable et se décomposait rapidement. Cela signifiait qu'il ne pouvait pas avoir été hérité par une étoile qui avait déjà des milliards d'années, Merrill réalisa. La seule façon dont l'élément aurait pu y arriver était si la star l'avait fait.

Aujourd'hui, 13,8 milliards d'années après le Big Bang, les étoiles ont converti environ 2% de l'hydrogène et de l'hélium de l'univers en d'autres éléments.

Ils existent maintenant en quantités variables, en fonction de la fréquence et de la productivité des processus qui les créent. Platine (numéro atomique 78), par exemple, est un million de fois plus rare que le fer parce que les fusions d'étoiles à neutrons ne se produisent pas très souvent. (C'est l'une des raisons pour lesquelles les métaux précieux sont précieux, dit Cowan.)

La présence d'éléments comme le carbone et l'oxygène a aidé à refroidir les coins de la galaxie afin que de plus petites étoiles comme le soleil puissent se former. Et l'apparition des métaux a permis aux systèmes solaires d'émerger des disques de gaz et de poussière qui tourbillonnaient autour de ces nouvelles étoiles.

"Il y a maintenant assez de déchets dans le disque pour que vous puissiez former des planètes, " a déclaré Johnson. " Plus il y a de fer par rapport à l'hydrogène, plus nous avons de chances de trouver un Jupiter."

Le rapport croissant du fer aux éléments comme l'oxygène a également augmenté les chances de former des planètes rocheuses avec de gros noyaux, comme la Terre. (Les gros noyaux peuvent servir à de nombreuses fonctions, y compris la génération d'un champ magnétique qui protège la vie.)

Alors que l'univers vieillit, les éléments à l'intérieur deviendront plus lourds. Et dans environ 10 000 milliards d'années, quand la formation d'étoiles a fait long feu, sa composition cessera de changer.

Il y a un débat sur la quantité d'hydrogène qui restera à ce stade. Johnson pense qu'une bonne partie restera dans le milieu intergalactique, tandis que Frebel soupçonne que la plupart d'entre eux auront été transformés.

Mais il existera toujours dans un autre sens, elle a dit, puisque tous les éléments ne sont en réalité que des réarrangements des atomes d'hydrogène qui se sont formés dans les premières minutes après le Big Bang. Depuis, ils se promènent dans le cosmos, dans un élément ou un autre. Certains se sont retrouvés ici sur Terre, où ils composent tout. Y compris nous.

L'astronome bien-aimé Carl Sagan aimait à dire que "nous sommes faits d'étoiles".

Ce n'est pas tout, Fredel a déclaré:"Nous sommes aussi des trucs du Big Bang."

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