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. pl_li_6397.jpg 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. Cliquer sur la figure pour l’agrandir.