Voir la source de Problème du lithium cosmologique

En [[astronomie]], le '''problème du lithium cosmologique''' fait référence à une différence significative entre les calculs théoriques de l’[[Abondance des éléments légers|abondance]] de lithium 7 créé lors de la nucléosynthèse primordiale et les observations.

== Production de lithium lors de la nucléosynthèse primordiale ==
[[Fichier:Main nuclear reaction chains for Big Bang nucleosynthesis.svg|vignette|upright=1.5|Principales réactions nucléaires se produisant lors de la nucléosynthèse primordiale.|alt=Schéma représentant les principales réactions lors de la nucléosynthèse primordiale, impliquant neutrons, protons, <sup>2</sup>H, <sup>3</sup>H, <sup>3</sup>He, <sup>4</sup>He, <sup>7</sup>Li et <sup>7</sup>Be.]]
{{article détaillé|Nucléosynthèse primordiale}}
Le modèle de la [[nucléosynthèse primordiale]] permet d’expliquer la formation et l’abondance des éléments légers (de l’hydrogène jusqu’au béryllium). Elle débute environ 3 minutes après le [[Big Bang]]<ref>{{Ouvrage |langue=fr |langue originale=en |prénom1=Steven |nom1=Weinberg |lien auteur1=Steven Weinberg (physicien) |traducteur=Jean-Benoît Yelnik |titre=Les trois premières minutes de l’univers |lieu=Paris |éditeur=[[Éditions du Seuil|Éd. du Seuil]] |année=1988 |pages totales=225 |isbn=2-02-010485-7}} {{p.}} 131-132.</ref>. Différentes réactions nucléaires impliquant les [[proton]]s et les [[neutron]]s permettent de produire ces noyaux. La réaction {{nobr|p + n → [[Deutérium|D]] + γ}} démarre et d’autres réactions à base de [[deutérium]] conduisent principalement à la formation d’[[hélium]] mais également, en moindres proportions, de [[lithium]]<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Fred E. |nom1=Wietfeldt |prénom2=Geoffrey L. |nom2=Greene |titre=Colloquium: The neutron lifetime |périodique=Reviews of Modern Physics |lien périodique=Reviews of Modern Physics |volume=83 |numéro=4 |année=2011 |pages=1173–1192 |doi=10.1103/RevModPhys.83.1173}}, {{p.}} 1178.</ref> (voir la figure ci-contre).

Si le rapport entre le nombre de baryons et le nombre de photons est faible, la réaction principale à l’origine de la production de [[lithium 7]] est la fusion d’un noyau d’[[hélium 4]] avec un de [[tritium]]
:<math>^{4}\mathrm{He} + ^{3}\mathrm{H} \rightarrow ^{7}\mathrm{Li} + \gamma</math>
et la principale réaction conduisant à la destruction de lithium 7 est la [[réaction nucléaire]] entre le lithium 7 et un [[proton]] entrainant la création de deux noyaux d’hélium 4.
:<math>^{7}\mathrm{Li} + p \rightarrow 2^{4}\mathrm{He}</math>

[[Fichier:Epjconf ena2018 01002 fig1.svg|vignette|gauche|upright=1.5|Abondances calculées de l’hydrogène, du deutérium, du tritium, de l’hélium 3 et 4, du lithium 6 et 7 et du béryllium 7 lors de la nucléosynthèse primordiale en fonction du temps.]]
Si le rapport baryon-photon est grand, davantage d’[[hélium 3]] est produit et la réaction {{nobr|⁴He + ³He → ⁷Be + γ}} devient importante. Par ailleurs, la réaction {{nobr|⁷Be + n → 2⁴He}} devient également moins probable que dans le cas d’un rapport baryon-photon plus faible du fait du plus faible [[nombre de neutrons]].

La réaction {{nobr|⁷Be + n → ⁷Li + p}} possède une très grande [[section efficace]] à l’[[Température_neutronique#Neutrons_thermiques|énergie thermique]] ce qui lui confère également un rôle important dans la production de lithium 7<ref name="Bertulani2016">{{Article |langue=en |prénom1=Carlos A. |nom1=Bertulani |prénom2=Toshitaka |nom2=Kajino |titre=Frontiers in nuclear astrophysics |périodique=Progress in Particle and Nuclear Physics |volume=89 |mois=7 |année=2016 |pages=56-100 |doi=10.1016/j.ppnp.2016.04.001 |url=http://faculty.tamuc.edu/cbertulani/cab/papers/PPNP89%282016%2956.pdf}}, {{p.}} 65.</ref>.

Par la suite, la température de l’Univers diminue et environ {{unité|380000|ans}} après le [[Big Bang]], les noyaux de lithium et de béryllium, précédemment dépourvus d’[[électron]]s, commencent à créer des [[atome]]s en se liant à des électrons ; c’est la [[recombinaison (cosmologie)|recombinaison]].

Le béryllium 7 peut alors décroitre par [[capture électronique]] pour former du lithium 7. La quantité de béryllium 7 à la fin de la nucléosynthèse primordiale conditionne donc la production de lithium 7 à la fin de la recombinaison.

== Observations expérimentales ==
{{article détaillé|évolution stellaire}}
Après la fin de la nucléosynthèse primordiale, plusieurs millions d’années sont nécessaires pour former les premières étoiles par [[effondrement gravitationnel]]. Lorsqu’elle atteint une masse critique, la gravité comprime la matière ce qui a pour effet d’augmenter la température au sein de la [[proto-étoile]]. Lorsque la température atteint environ 10 millions de kelvin, les [[Chaîne proton-proton|réactions de fusion de l’hydrogène]] démarrent. Lors de cette phase, l’hydrogène va fusionner pour former de l’hélium. Par la suite, au fur et à mesure que la quantité d’hydrogène diminue, les réactions de fusion se font plus rares et l’étoile se contracte du fait de la gravitation, faisant augmenter la température, ce qui permet d’initier d’autres réactions de fusion. Le lithium 7 peut alors fusionner avec un proton pour former un noyau de béryllium 8, qui fissionne quasi-instantanément en 2 noyaux d’hélium 4. 

La détermination expérimentale de la quantité de lithium 7 produite lors du [[Big Bang]] est donc effectuée en observant les étoiles avec une faible [[métallicité]], c’est-à-dire étant composée essentiellement d’hydrogène et d’hélium. L’observation d’[[étoiles de population III]], population hypothétique d’étoiles extrêmement massives et lumineuses, constituée exclusivement d'éléments légers, qui seraient les premières étoiles formées au commencement de l'Univers, offrirait une évaluation propre de la quantité de lithium produite lors de la nucléosynthèse primordiale{{refsou}}.

<!-- décrire comment on mesure le lithium
parler du [[plateau des Spite]]-->

==  Comparaison entre les prédictions et les observations ==
En 2016, des calculs théoriques s’appuyant sur les données nucléaires mesurées (durée de vie du neutron, section efficace {{etc.}}) et les observations du satellite [[Planck (satellite)|Planck]] en particulier sur la détermination du rapport baryon/photon ont prédit les abondances suivantes<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Richard H. |nom1=Cyburt |prénom2=Brian D. |nom2=Fields |prénom3=Keith A. |nom3=Olive |prénom4=Tsung-Han |nom4=Yeh |titre=Big bang nucleosynthesis: Present status |périodique=Reviews of Modern Physics |lien périodique=Reviews of Modern Physics |volume=88 |page=015004 |jour=23 |mois=2 |année=2016 |doi=10.1103/RevModPhys.88.015004}}.</ref>

{| class="wikitable"
!
!Prédictions
!Observations
|-
!Yₚ{{note|groupe=alpha|Yₚ désigne la fraction massique d’hélium 4 à la fin de la nucléosynthèse primordiale. Le reste de la masse provient des protons.}}
!{{unité|0.24709|±=0.00025}}
!{{unité|0.256|±=0.006}}
|-
!D/H(10<sup>-5</sup>)
!{{unité|2.58|±=0.13}}
!{{unité|2.82|±=0.26}}
|-
!³He/H(10<sup>-6</sup>)
!{{unité|10.039|±=0.090}}
!≥{{unité|11|±=2}}
|-
!⁷Li/H(10<sup>-10</sup>)
!{{unité|4.68|±=0.67}}
!{{unité|1.58|±=0.31}}
|}

D/H, ³He/H et ⁷Li/H désignent respectivement l’abondance de deutérium, d’hélium 3 et de lithium 7. Les valeurs issues de l’observation proviennent d’un article publié dans ''[[The Astrophysical Journal]]'' en 2014<ref>{{Article |langue=en |prénom1=Rosario Gianluca |nom1=Pizzone |et al.=oui |titre=Big Bang nucleosynthesis revisited via Trojan horse method measurements |périodique=The Astrophysical Journal |lien périodique=The Astrophysical Journal |volume=786 |numéro=2 |page=112 |jour=24 |mois=4 |année=2014 |doi=10.1088/0004-637X/786/2/112 |lire en ligne=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/786/2/112/meta}}.</ref>.

L’accord entre les calculs théoriques et les observations expérimentales s’accordent extrêmement bien en ce qui concerne les abondances du deutérium, de l’hélium 3 et de l’hélium 4. En revanche, les prédictions et les observations divergent fortement pour le lithium 7. En fonction des hypothèses utilisées dans les calculs, la différence peut être supérieure à 5σ<ref name="PDG_p379">{{Chapitre |langue=en |titre chapitre=Big-Bang nucleosynthesis |auteurs ouvrage=M. Tanabashi et al. (Particle Data Group) |titre ouvrage=Review of Particle Physics |jour=17 |mois=8 |année=2018 |lire en ligne=http://pdg.lbl.gov/2018/reviews/rpp2018-rev-bbang-nucleosynthesis.pdf |passage=377-382}} {{p.}} 379.</ref>, ce qui est considéré comme ne pouvant pas être expliqué par une [[erreur statistique]] par les physiciens.

== Explications possibles ==
=== Données nucléaires ===
Les calculs utilisent en entrée le rapport baryon-photon, déterminé à partir des observations du satellite Planck, ainsi que les [[section efficace|sections efficaces]] pour les réactions nucléaires impliquées dans la production et la destruction de lithium 7 et de béryllium 7. De nombreuses expériences ont donc été menées pour obtenir des valeurs de sections efficaces plus précises.

Pour un rapport baryon-photon égal à celui mesuré par le satellite Planck, le principal mode de production de lithium 7 provient de la décroissance par [[capture électronique]] du béryllium 7<ref name="Broggini2012">{{Article |prénom1=Carlo |nom1=Broggini |prénom2=Luciano |nom2=Canton |prénom3=Giovanni |nom3=Fiorentini |prénom4=Francesco |nom4=Villante |titre=The cosmological <sup>7</sup>Li problem from a nuclear physics perspective |périodique= Journal of Cosmology and Astroparticle Physics |volume=2012 |jour=19 |mois=6 |année=2012 |doi=10.1088/1475-7516/2012/06/030 |arxiv=1202.5232}}.</ref>. Les modes de production et de destruction du béryllium 7 doivent donc également être considérées. Les principales réactions impliquant du béryllium 7 sont la fusion d’un noyau d’hélium 3 avec un d’hélium 4 pour la production
:<math>^{3}\mathrm{He} + ^{4}\mathrm{He} \rightarrow ^{7}\mathrm{Be} + \gamma</math>
et la capture d’un neutron par du béryllium 7 créant du lithium 7 et un proton pour la destruction de cet isotope
:<math>^{7}\mathrm{Be} + n \rightarrow ^{7}\mathrm{Li} + p</math>
Ces deux réactions ont été intensivement étudiées et mesurées et les sections efficaces sont connues avec des précisions de quelques pourcents<ref name="Broggini2012"/>.

=== Modèle stellaire ===

=== Nouvelle physique ===

== Notes et références ==
=== Notes ===
{{Références|groupe=alpha}}

=== Références ===
{{Références}}

{{portail|cosmologie|physique}}

[[Catégorie:Lithium]]
[[Catégorie:Nucléosynthèse]]