La composition chimique du Soleil et du système Solaire est le résultat d’une évolution complexe, dans laquelle les différents éléments sont produits progressivement par les générations d’étoiles. Quand on observe des étoiles de plus en plus vieilles on observe des abondances décroissantes de tous les éléments, carbone, oxygène, fer, etc. Avec une importante exception : le lithium. Au début des années 1980 Monique et François Spite, de l’Observatoire de Paris, ont découvert que toutes les étoiles vieilles de notre Galaxie ont la même abondance de lithium. En fait si on fait un graphique des abondances de lithium en fonction de l’abondance d’un autre élément, par exemple le fer, on trouve un plateau, qui est appelé le plateau des Spite. L’explication, la plus simple, du plateau est que le lithium observé dans ces étoiles a été produit pendant le Big Bang, en même temps que la majorité de l’hélium présent dans l’Univers. Dans ce cas la quantité de lithium produit est une fonction du rapport entre baryons et photons, donc de la densité baryonique de l’Univers. Pendant plus de vingt années la concordance des abondances primordiales mesurées des isotopes produits dans le Big Bang, deuterium, les deux isotopes stables de l’helium 3He et 4He, et 7Li, avec une seule valeur de la densité baryonique a été considerée un des piliers de la cosmologie du Big Bang. Pourtant cette concordance était basée sur des erreurs plutôt grandes, des mesures des abondances primordiales. La mesure très précise de la densité baryonique obtenue par l’étude des fluctuations du fond cosmologique de micro-ondes, couplée avec la théorie standard de la nucleosynthèse dans le Big Bang implique une tension avec le plateau des Spite (Fig. 1)

Figure 1 : L’abondance primordiale de lithium prédite par la nucleosynthèse dans le Big Bang, en fonction du rapport entre le nombre de baryons et le nombre de photons (fig de Bonifacio 2004). Les lignes bleues sont les erreurs à un sigma. La ligne horizontale épaisse est le niveau observé du plateau des Spite, les lignes fines indiquent l’erreur à un sigma, les lignes en tirets sont la somme des erreurs statistiques et systématiques. Les lignes verticales rouges sont les valeurs du rapport déduit à partir des fluctuations du fond cosmologique avec son erreur de un sigma (lignes verticales en tirets).

Omega Centauri (Fig.2) est ce qui reste d’une galaxie satellite, capturée par la Voie Lactée. Elle a sûrement perdu une grande partie de sa masse par effet de marée, néanmoins elle a une masse qui est dix fois plus grande que les amas globulaires les plus massifs. Elle héberge un mélange compliqué de populations stellaires d’âges et métallicités différents. Les étoiles du "turn-off" et les sous-géantes sont observables à des magnitudes de 17.5 jusqu’à 18, très faibles, mais observables avec un télescope de 8 mètres.

Figure 2 Une image composée de omega Centauri obtenue avec le Wide Field Imager et le télescope 2.2m MPI/ESO à La Silla (Chili, copyrightESO).

Pour mesurer l’abondance de lithium dans ces étoiles, 19 heures d’intégration ont été nécessaires sur le télescope ESO VLT-Kueyen et l’instrument Flames/Giraffe (construit au GEPI). Il en résulte des spectres de qualité excellente qui ont permis une mesure précise de l’abondance du lithium. Les chercheurs ont été plutôt surpris de découvrir un exemple typique du plateau des Spite, comme dans notre Galaxie.

Figure 3 Le plateau des Spite dans omega Centauri, tel qu’il est révélé par les observations Flames/Giraffe. Toutes les étoiles observées ont la même abondance de lithium, quelle que soit leur métallicité ou température.

Ce résultat rend impossible n’importe quelle solution du "problème du lithium cosmologique" qui postule une évolution spéciale pour notre Galaxie, comme le modèle de Piau et al. En même temps il pose de fortes contraintes à tous les modèles qui postulent la déplétion du lithium dans les atmosphères stellaires, puisqu’il est nécessaire de trouver la même déplétion pour les étoiles d’âge, masse et métallicité différents. L’intervalle d’âges couvert par les étoiles observées est matière à débats, néanmoins, selon l’analyse de Villanova et al. (2007) cet intervalle est de 5 milliards d’années. Il est clair que des explications qui reposent sur des phénomènes lents et dépendant du temps, comme la diffusion, auront du mal à expliquer cette homogéneité. Si les explications "stellaires" du "problème du lithium cosmologique" ont des difficultés, peut être il serait intéressant de chercher du côté d’une nouvelle physique au moment de la nucléosynthèse. Toute le monde attend avec impatience les nouvelles découvertes attendues du Large Hadron Collider !

Référence L. Monaco, P. Bonifacio, L. Sbordone, S. Villanova, E. Pancino 2010, The lithium content of omega Centauri, A&A in press Contact Lorenzo Monaco (European Southern Observatory) Piercarlo Bonifacio (GEPI, Observatoire de Paris, CNRS, Université Paris Diderot)

Dernière modification le 22 février 2013

The chemical composition of the Sun and the Solar system is the result of a complex evolution, in which the different chemical elements are built up by successive generations of stars. For this reason when we look at older stars we observe a decreasing abundance of all the elements, carbon, oxygen, iron, and so on. There is however a noticeable exception : lithium. Monique and François Spite, of the Observatoire de Paris, discovered at the beginning of 1980’s that all the old stars in our Galaxy share the same lithium content. In fact when we plot the lithium abundance as a function of the abundance of another element, for example iron, we notice a plateau, which is called the Spite plateau. The most straightforward explanation of this plateau is that the ltihium observed in the old stars was produced during the Big Bang, at the same time of the synthesis of the majority of helium present in the Universe. In this case the amount of lithium produced is a sensitive function of the baryon to photon ratio, and therefore of the baryonic density of the Universe. For over twenty years the consistency in the measured abundance of the primordially produced nuclei, deuterium, the two stable helium isotopes 3He and 4He, and 7Li with a single value of the baryonic density has been considered one of the pillars of Big Bang cosmology. However this consistency rested also on rather large errors in the determination of the above abundances, the accurate measurements of the baryonic density from the fluctuations of the Cosmological Microwave Background, when coupled to Standard Big Bang Nucleosynthesis, implied a tension with the Spite plateau (see Fig. 1).

Figure 1 : L’abondance primordiale de lithium prédite par la nucleosynthèse dans le Big Bang, en fonction du rapport entre le nombre de baryons et le nombre de photons (fig de Bonifacio 2004). Les lignes bleues sont les erreurs à un sigma. La ligne horizontale épaisse est le niveau observé du plateau des Spite, les lignes fines indiquent l’erreur à un sigma, les lignes en tirets sont la somme des erreurs statistiques et systématiques. Les lignes verticales rouges sont les valeurs du rapport déduit à partir des fluctuations du fond cosmologique avec son erreur de un sigma (lignes verticales en tirets).

Omega Centauri (Fig.2) is what remains of a satellite galaxy now captured by the Milky Way. In spite of the fact that probably a large fraction of its mass has been lost due to the tidal interaction it is still a factor of 10 more massive than the most massive globular clusters. It hosts a complex mixture of stellar populations of different metallicities and ages. Its turn-off and subgiant stars can be observed at magnitudes 17.5 to 18, although quite faint, still within reach of an 8m class telescope.

Figure 2 Une image composée de omega Centauri obtenue avec le Wide Field Imager et le télescope 2.2m MPI/ESO à La Silla (Chili, copyrightESO).

Figure 3 Le plateau des Spite dans omega Centauri, tel qu’il est révélé par les observations Flames/Giraffe. Toutes les étoiles observées ont la même abondance de lithium, quelle que soit leur métallicité ou température.

Reference L. Monaco, P. Bonifacio, L. Sbordone, S. Villanova, E. Pancino 2010, The lithium content of omega Centauri, A&A in press Contact Lorenzo Monaco (European Southern Observatory) Piercarlo Bonifacio (GEPI, Observatoire de Paris, CNRS, Université Paris Diderot)

Dernière modification le 4 mars 2013