Où sont passés certains des premiers ingrédients de l’univers? Les scientifiques cherchent toujours une réponse à l’énigmatique problème cosmologique du lithium, un écart entre la quantité de lithium-7 prédite par les modèles du Big Bang et ce que nous observons dans les étoiles anciennes. Une nouvelle étude utilisant les données de la Station spatiale internationale a éliminé un endroit potentiel où cet élément manquant pourrait se cacher, prouvant qu’il n’est pas présent en grande quantité dans les rayons cosmiques. Cela signifie que les chercheurs doivent poursuivre la chasse ailleurs, potentiellement en réexaminant nos modèles de l’univers primitif ou la façon dont nous interprétons les observations stellaires.
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Le lithium : un ingrédient cosmique particulier
Contrairement à la plupart des éléments, le lithium a une histoire cosmique unique. On pense qu’il est forgé d’au moins trois façons :
- Durant les premières minutes après le Big Bang.
- À l’intérieur des étoiles par réactions nucléaires.
- Lorsque des rayons cosmiques de haute énergie entrent en collision avec des noyaux atomiques plus lourds dans l’espace.
Les scientifiques étudient la composition de l’univers pour comprendre son histoire. En examinant les étoiles les plus anciennes, formées à partir de la matière primordiale laissée par le Big Bang, ils peuvent estimer l’abondance d’éléments comme le lithium-7 créés à cette époque. Cependant, ces observations montrent systématiquement beaucoup moins de lithium-7 que ce que prédisent nos meilleurs modèles du Big Bang. Cet écart est le problème cosmologique du lithium, et il remet en question notre compréhension fondamentale de la formation de l’univers.
Chasse aux indices dans les rayons cosmiques
Une théorie proposait que le lithium-7 « manquant » puisse se cacher dans les rayons cosmiques – des particules de haute énergie qui traversent l’espace à grande vitesse. On sait que les rayons cosmiques contiennent des quantités significatives de lithium-6 et de lithium-7. Si une grande partie du lithium-7 issu du Big Bang s’était retrouvée dans ces voyageurs cosmiques, cela pourrait potentiellement expliquer la pénurie observée dans les vieilles étoiles.
Pour tester cette idée, une équipe internationale de scientifiques s’est tournée vers un instrument puissant : le Spectromètre magnétique alpha (AMS) à bord de la Station spatiale internationale. L’AMS est un détecteur spatial unique capable de mesurer les propriétés des rayons cosmiques avec une précision sans précédent.
Image vibrante des vestiges de supernova Cassiopeia A, illustrant une source potentielle de rayons cosmiques transportant du lithium dans l'espace
Ce que la Station spatiale a trouvé
Sur une période de 12 ans, l’AMS a collecté des données provenant de 2 millions de noyaux de lithium filant à travers l’espace. Cet ensemble de données étendu a permis aux chercheurs de réaliser des mesures très précises du rapport entre le lithium-6 et le lithium-7 dans les rayons cosmiques sur une large gamme d’énergies.
Les résultats ont été concluants et surprenants pour certains. Les équipes analysant les données sont toutes parvenues à la même conclusion : la quantité de lithium-6 et de lithium-7 dans les rayons cosmiques de haute énergie est à peu près égale, et ce rapport reste constant. Ceci est crucial car si les rayons cosmiques transportaient une cachette cachée significative du lithium-7 du Big Bang, les scientifiques se seraient attendus à voir une proportion beaucoup plus élevée de lithium-7 par rapport au lithium-6.
Comme l’a commenté Katharina Lodders, une cosmochimiste non impliquée dans l’étude, cette analyse « élimine une possibilité de l’endroit où le 7Li ‘manquant’ pourrait se cacher ». L’étude, publiée dans Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 2025, DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.201001), fournit des preuves solides que le problème cosmologique du lithium ne peut être résolu en trouvant simplement le lithium-7 manquant dans les rayons cosmiques.
Le mystère continue
Cette mesure précise, la première de son genre utilisant un spectromètre magnétique spatial avec détection de vitesse, confirme que les rayons cosmiques ne sont pas la réponse à l’énigme du lithium. Pour les astrophysiciens comme Brian Fields, déjà sceptiques quant à l’hypothèse des rayons cosmiques basée sur d’autres observations, le résultat n’était pas inattendu. Les données, note-t-il, sont le juge suprême en science, et les données de l’AMS sont d’une clarté « super magnifique ».
Alors, où se cache le lithium-7 manquant? Ou est-il vraiment manquant? L’hypothèse des rayons cosmiques étant largement écartée, les scientifiques doivent maintenant chercher ailleurs. Cela pourrait signifier :
- Nos modèles décrivant les premières minutes après le Big Bang nécessitent une amélioration.
- Il y a quelque chose que nous ne comprenons pas entièrement sur la façon dont le lithium est traité (créé ou détruit) à l’intérieur des étoiles anciennes que nous observons.
- Peut-être qu’un processus exotique différent est en jeu dans l’univers primitif.
Le problème cosmologique du lithium demeure l’une des questions les plus significatives non résolues en cosmologie. Cette nouvelle mesure précise ne l’a pas résolu, mais en éliminant avec confiance une solution potentielle, elle aiguise la concentration sur l’endroit où la véritable réponse pourrait se trouver, poussant les scientifiques à repenser des aspects fondamentaux des premiers instants de l’univers. La quête pour équilibrer les comptes cosmiques du lithium se poursuit.