Formation de la Terre

1. Matière créée lors du Big Bang

La matière de l’Univers s’est formée en trois grandes phases :

1. Après le Big Bang : formation des éléments légers (hydrogène H et hélium He).
2. Dans les étoiles : fusion nucléaire produisant des éléments de He à Fe.
3. À la mort des étoiles : création des éléments plus lourds (Co à U).

2. Création de la matière après le Big Bang

• Temps clés et interactions fondamentales :

  • À $10^{-43}$ s : séparation de la gravitation des autres interactions (temps de Planck).
  • À $10^{-35}$ s : dissociation de l’interaction forte de l’interaction électrofaible.
  • À $10^{-10}$ s : séparation des interactions faible et électromagnétique.
  • Après $10^{-10}$ s : coexistence des 4 interactions actuelles (gravitation, forte, faible, électromagnétique).

• Synthèse des particules primordiales :

  • De $10^{-35}$ à 1 s, la température baisse progressivement, permettant la formation des particules suivantes :
    • Quarks et antiquarks se combinent pour former les hadrons (mésons et baryons).
    • Leptons (électrons, neutrinos) apparaissent également.

• Formation des nucléons (protons et neutrons) entre $10^{-6}$ et $10^{-4}$ s :

  • Les quarks s’assemblent en baryons, notamment les nucléons essentiels à la matière.
  • Charges des quarks dans les nucléons :

    Particule	Composition en quarks	Charge totale (en $e$)
    Proton	$2/3 + 2/3 - 1/3$	+1
    Neutron	$2/3 - 1/3 - 1/3$	0

• Interactions entre leptons et hadrons (de $10^{-4}$ s à 1 s) :

  • Protons et neutrons se transforment continuellement l’un en l’autre via interactions avec électrons et neutrinos.
  • Équilibre neutron/proton : $P/N = 1$ (nombre égal de protons et neutrons).

• Après 1 seconde :

  • La température baisse, l’énergie cinétique devient insuffisante pour transformer un proton en neutron via interaction avec un électron.
  • L’équilibre neutron-proton est rompu, arrêtant la création de neutrons à partir des protons.

À retenir : La matière ordinaire (protons, neutrons, électrons) s’est formée dans la première seconde suivant le Big Bang, à partir de la combinaison des quarks et la stabilisation des nucléons, sous l’influence des quatre interactions fondamentales.

1. Matière créée dans les étoiles

a) Formation des structures cosmiques

• Le fond diffus cosmologique révèle la présence de matière dans tout l’Univers.
• Les infimes fluctuations de densité dans ce fond permettent la formation progressive des amas de galaxies, galaxies, et systèmes stellaires par effet gravitationnel.
• Cette fragmentation est observable à différentes échelles autour du système solaire :
  • Groupe local
  • Super amas Vierge-Hydre-Centaure
  • Super amas de la Vierge
  • La Voie Lactée

b) Nucléosynthèse stellaire

• La nucléosynthèse stellaire repose sur la fusion nucléaire qui libère de l’énergie grâce à la perte de masse (relation masse-énergie d’Einstein).
• La fusion est possible jusqu’à la formation du fer-56 ($^{56}$Fe), car c’est l’élément avec la plus grande énergie de liaison par nucléon.
• Au-delà du fer, l’énergie de liaison par nucléon diminue, ce qui rend les noyaux plus instables :
  • Les éléments plus lourds tendent à se fissionner spontanément (radioactivité).

La fusion stellaire produit les éléments jusqu’au fer-56, au-delà desquels la radioactivité domine la formation des éléments lourds.

1. Matière créée à la mort des étoiles

Lors de la fin de vie d’une étoile, elle quitte la séquence principale pour devenir une géante rouge ou super-géante rouge. Ce stade se caractérise par :

• Arrêt de la fusion dans le cœur faute de combustible, entraînant son effondrement sous l’effet de la gravité.
• La fusion se déplace vers les couches externes, qui expulsent progressivement de la matière dans l’espace.

2. Destinée selon la masse de l’étoile

L’évolution finale dépend fortement de la masse initiale de l’étoile :

3. Supernova de type II

• Effondrement rapide du cœur provoquant un contact intense entre noyaux.
• Rebond générant une onde de choc très énergétique.
• Les enveloppes externes, n’ayant pas le temps de s’effondrer, sont dispersées dans l’espace par cette onde.
• Cette explosion permet la synthèse d’éléments lourds, bien que leur quantité reste faible par rapport à la masse initiale de l’étoile.

4. Supernova de type I.a

Deux hypothèses principales expliquent ce phénomène dans un système binaire :

1. Collision de deux naines blanches (ou étoiles à neutrons) attirées gravitationnellement.
2. Accrétion de matière d’une géante rouge par une naine blanche, augmentant sa masse jusqu’à déclencher un effondrement et une explosion thermonucléaire.

5. Synthèse des éléments lourds

Les supernovae (types I.a et II) génèrent une énergie suffisante pour créer des éléments plus lourds que le fer, enrichissant ainsi le milieu interstellaire.

À retenir : La matière lourde de l’Univers provient principalement des explosions de supernova, qui dispersent ces éléments dans l’espace, complétant la nucléosynthèse amorcée dans les étoiles et le Big Bang.

6. Origine de la matière dans l’Univers

L’abondance relative des éléments chimiques observée dans l’Univers résulte de la combinaison de trois phénomènes majeurs :

• La nucléosynthèse du Big Bang (éléments légers comme H, He).
• La fusion dans les étoiles (éléments jusqu’au fer).
• La création d’éléments lourds lors des supernovae (au-delà du fer).