Le lithium observé dans les vieilles étoiles est uniforme: est-ce le lithium du Big-Bang ?

Le lithium est un des éléments (avec le deutérium) formés essentiellement au cours de la nucléosynthèse primordiale, quelques minutes après le Big-Bang. Son abondance permet ainsi de déterminer la quantité de baryons dans l'Univers. Il s'avère que la densité de baryons déduite (ou sa valeur normalisée à la densité critique pour fermer l'Univers) est bien plus grande que celle qu'il nous est permis de voir par rayonnement. Il est donc essentiel de contraindre avec précision cette densité de baryons. Le travail récent sur le VLT de l'ESO d'un consortium international dans lequel participent plusieurs astronomes de l'Observatoire de Paris, vient apporter confirmation de la constance de l'abondance du lithium dans les étoiles, qui suggère que l'abondance observée est bien proche de l'abondance primordiale, et ainsi permet de raffiner la détermination de .

Le problème

Le problème de l'abondance du lithium dans les vieilles étoiles alimente depuis de longues années une discussion : l'abondance observée est-elle celle du Big Bang, conservée intacte ? ou a-t-elle été diminuée par divers phénomènes stellaires (vents, mélanges convectifs et/ou rotationnels, diffusion, destruction dans les couches profondes) et éventuellement augmentée par la production des rayons cosmiques ? La quantité de lithium actuellement observée dans les couches externes du Soleil est nettement plus faible que la quantité initiale (connue grâce aux météorites), et l'hélium solaire montre l'existence de phénomènes de diffusion.

Mais les vieilles étoiles sont pauvres en métaux, elles ont une structure (et une histoire) différente de celle du Soleil. Plusieurs théories ont proposé dans le passé que l'abondance initiale du lithium (celle du Big Bang) dans ces vieilles étoiles était diminuée de 90% au cours du temps. Il aurait alors fallu multiplier par 10 l'abondance observée pour obtenir l'abondance du big bang. Cependant la diminution calculée varie en fonction de la température effective, de la masse, de la métallicité, de la rotation de l'étoile, de sorte qu'on devrait alors observer une forte dispersion des abondances de lithium restantes, mais cette dipersion n'est pas observée.

Les théories actuelles prédisent une diminution plus faible, et par conséquent une dispersion plus faible. Les mesures ne sont pas parfaites, et donnent une faible dispersion due aux erreurs. Il devient difficile de distinguer ce qui revient aux erreurs de mesure ou aux variations d'éventuels processus de diminution.

Figure 1. Observation de la raie de lithium dans 5 étoiles de l'amas globulaire NGC 6397. L'erreur de mesure est indiquée en chaque point de la raie d'absorption. La raie est dissymétrique, parce qu'elle est produite par un doublet à composantes inégales. Trois profils synthétiques sont calculés, le meilleur ajustement est celui du milieu. A chaque tracé correspond une largeur équivalente (EW). Les largeurs équivalentes sont différentes d'une étoile à l'autre, parce que les températures sont différentes, mais les abondances de lithium sont très voisines.
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Un progrès récent

Une équipe internationale, dirigée par R. Gratton, et comprenant trois astrophysiciens à l'Observatoire de Paris (F. Spite, P. François et G. James) a mené au VLT une étude d'étoiles vieilles pauvres en métaux : étoiles d'amas globulaires et étoiles de champ, en vue notamment d'évaluer l'amplitude des effets de mélange et/ou diffusion dans ces étoiles. Plusieurs éléments (dont le lithium) ont été mesurés de façon homogène. En ce qui concerne les autres éléments, il apparaît que l'effet de diffusion est moindre que prévu dans certains calculs théoriques. En ce qui concerne le lithium, P. Bonifacio et collaborateurs ont entrepris une étude poussée des erreurs de mesure sur une douzaine d'étoiles de l'amas globulaire NGC 6397 et des étoiles de champ. Le logiciel de dépouillement a été vérifié. Dans la transformation des mesures de raies (largeurs équivalentes) en abondances, les erreurs ont été réduites par l'utilisation d'une méthode originale, évitant les erreurs de la photométrie et l'incertitude des rougissements interstellaires. Pour augmenter la statistique, des spectres d'archive du VLT ont été utilisés en complément : 12 étoiles ont ainsi pu être observées avec plusieurs spectres pour chaque étoile. Une analyse de la dispersion observée et une simulation Monte Carlo montrent que les erreurs de mesure, bien que très faibles, expliquent presque entièrement à elles seules la dispersion observée (0.0622) : la dispersion intrinsèque des abondances de lithium dans les étoiles est très faible (0.0352), et par conséquent les éventuelles diminutions de lithium ne peuvent être que très faibles.

Les étoiles de champ, mesurées de façon analogue donnent la même abondance de lithium.
Ainsi, les abondances de lithium des vieilles étoiles fournissent une très bonne évaluation de l'abondance de lithium par la nucléosynthèse primordiale : NLi/NH = 2.1 10-10. Et les prédictions de cette nucléosynthèse impliquent un rapport du nombre de baryons au nombre de photons Nb/Np = 4.3 10-10, soit classiquement une densité baryonique h2 = 0.016 + 0.004 (où h est la constante de Hubble normalisée à 100km/s/Mpc), en accord satisfaisant avec les déterminations des abondances primordiales de D, 3He, He et avec les fluctuations du fond cosmologique dans les limites d'erreurs.

Le problème du lithium n'est pas entièrement résolu. L'échantillon devrait être étendu, ce qu'on pourra faire économiquement en utilisant bientôt la spectroscopie multi-objets au VLT (FLAMES). L'abondance d'azote devrait être mieux comprise. L'apport des rayons cosmiques devrait être mieux évalué. La cause de quelques rares abondances aberrantes de lithium devrait être éclaircie, ainsi que l'effet des binarités.


Référence:
P. Bonifacio, L. Pasquini, F. Spite, A. Bragaglia, E. Carretta, V. Castellani, M. Centurion, A. Chieffi, R. Claudi, G. Clementini, F. D'Antona, S. Desidera, P. Francois, R.G. Gratton, F. Grundahl, G. James, S. Lucatello, C. Sneden), O. Straniero
"The lithium content of the globular cluster NGC 6397"
Astronomy and Astrophysics, accepted
astro-ph/0204332

Contact:
François Spite (Observatoire de Paris, GEPI)
Patrick François (Observatoire de Paris, GEPI)
Gaël James (Observatoire de Paris, GEPI)