Chapitre 11 : Faits de vieille lumière d’étoiles

Nuit 124 : Une flamme ronde et bleue

Le cent vingt-quatrième jour de la mission, la tâche principale de Noor était une expérience avec le feu. Le feu est l’une des choses que redoutent le plus les occupants d’une station spatiale, si bien que l’expérience se déroulait à l’intérieur d’une boîte solide et hermétique, munie d’épaisses fenêtres, de ventilateurs spéciaux et de nombreuses couches de sécurité. Noor passa la première heure de sa matinée sur une liste de contrôle. Elle vérifia les joints, les caméras, l’arrivée de gaz et l’ordinateur qui allait tout piloter. Ade flottait à côté d’elle et lisait chaque ligne à voix haute. Noor répondait à chaque ligne par un seul mot, « vérifié », comme le fait un pilote avant le décollage.

Enfin, l’ordinateur plaça une minuscule goutte de combustible au milieu de la boîte et l’alluma. Sur Terre, une flamme a la forme d’une larme. L’air chaud est plus léger que l’air froid, alors il monte et étire la flamme vers le haut en une pointe. En apesanteur, l’air chaud ne monte pas, parce qu’il n’y a pas de « haut » vers lequel monter. La flamme sur l’écran de Noor était donc une petite boule presque parfaite. Elle était douce et bleue, et elle luisait tranquillement dans la boîte sombre, comme une petite planète faite de lumière.

La boule de feu ne dura que quelques secondes. Puis le combustible fut épuisé et la lumière bleue s’éteignit. Les caméras avaient tout enregistré, et les scientifiques au sol étudieraient les images pendant des mois. Ils veulent comprendre comment se comportent les flammes sans l’air qui monte, parce que cela les aide aussi à comprendre la combustion sur Terre, dans les moteurs et dans les fours. Noor et Ade répétèrent l’essai six fois, avec de petites modifications à chaque fois, et l’après-midi venu, ses yeux étaient fatigués d’avoir fixé l’écran.

Ce soir-là, une fois le travail terminé, Noor lut un message de Sami. Il avait vu un court film de la flamme ronde que l’équipage avait partagé avec des écoles. « Magnifique, écrivit-il. Alors, est-ce que le Soleil n’est qu’un feu géant comme celui-là ? Est-ce qu’il brûle, là-haut ? » Noor sourit. C’était une très bonne question, et beaucoup de gens croient que la réponse est oui. La vraie réponse est plus étrange et plus merveilleuse. Elle conduit aussi à l’un des faits les plus surprenants de toute la science : la plus grande partie de la matière du corps de Noor, du corps de Sami et de votre corps a été fabriquée à l’intérieur des étoiles.

L’histoire de ce soir parle donc du fonctionnement des étoiles et de ce qu’elles fabriquent. Elle fait suite à la nuit précédente de ce livre, quand les rides de l’Univers primitif sont devenues des galaxies, rassemblées par la matière ordinaire et par la mystérieuse matière noire. Ce soir, nous regardons à l’intérieur de ces galaxies, les étoiles elles-mêmes, et nous découvrons qu’elles ne sont pas seulement des lampes. Ce sont des ateliers.

Les étoiles ne sont pas des feux

Un feu, comme la boule bleue dans la boîte de Noor, est une réaction chimique. Le combustible s’unit à l’oxygène de l’air, et les atomes se réarrangent en nouvelles molécules. Cela dégage de la chaleur et de la lumière. Mais dans un feu, les atomes eux-mêmes ne changent pas. Un atome de carbone du combustible reste un atome de carbone dans la fumée. Seule la façon dont les atomes se donnent la main a changé.

Si le Soleil était un feu géant de ce genre, il se serait éteint depuis longtemps. Il n’aurait duré que quelques milliers d’années, et non des milliards. Et il y a un autre problème : un feu a besoin de l’oxygène de l’air qui l’entoure, et il n’y a pas d’air dans l’espace. Le Soleil doit donc briller d’une autre manière. Cette manière s’appelle la fusion.

La fusion se produit au centre du Soleil, dans la partie appelée le cœur. Là, le poids du Soleil tout entier pèse de toute sa force, et la température atteint environ 15 millions de degrés Celsius. À une telle chaleur et sous une telle pression, les centres des atomes d’hydrogène, leurs noyaux, se déplacent si vite qu’ils se heurtent et restent collés. Étape par étape, quatre noyaux d’hydrogène deviennent un noyau d’hélium. Le nouvel hélium pèse un tout petit peu moins que les quatre noyaux d’hydrogène qui l’ont formé. Ce minuscule morceau de matière manquant s’est changé en énergie, et c’est cette énergie qui fait briller le Soleil.

Pourquoi faut-il une chaleur aussi énorme ? Les noyaux des atomes d’hydrogène portent tous le même type de charge électrique, et les objets de même charge se repoussent, comme deux aimants placés dans le mauvais sens. Dans le monde frais qui nous entoure, les noyaux d’hydrogène ne s’approchent jamais assez pour s’unir. Ce n’est que lorsqu’ils vont extrêmement vite, dans une chaleur extrême et sous le poids d’une étoile entière, que certains d’entre eux s’approchent assez pour coller. Même dans le cœur du Soleil, un noyau d’hydrogène donné attend généralement très longtemps avant de s’unir à un autre. Le Soleil brille de façon régulière parce qu’il contient tant de noyaux que, chaque seconde, un nombre immense d’entre eux y parviennent.

Voici la différence en une phrase. Dans un feu, les atomes changent de partenaires. Dans la fusion, les centres des atomes s’unissent et deviennent un autre élément. La fusion transforme l’hydrogène en hélium. Elle ne se contente pas de réarranger les choses ; elle fabrique quelque chose de nouveau. C’est pourquoi elle est si puissante. Chaque seconde, le Soleil transforme environ quatre millions de tonnes de sa matière en énergie, et il le fait depuis environ 4,6 milliards d’années. Malgré cela, il n’a utilisé qu’une petite partie de son hydrogène, parce que le Soleil est immense.

Il peut être utile de penser à une boulangerie qui travaille toute la nuit. Dans le four brûlant, au centre, une simple pâte devient du pain. Dans le cœur d’une étoile, l’élément le plus simple, l’hydrogène, devient le suivant, l’hélium. La lumière qui sort de l’étoile ressemble à la chaleur qui sort par la porte de la boulangerie. Nous sentons la chaleur, mais le vrai travail se fait tout au fond, là où nous ne pouvons pas le voir.

Ceux qui ont découvert comment brillent les étoiles

Pendant longtemps, l’énergie du Soleil fut une énigme. Au dix-neuvième siècle, des scientifiques essayèrent de l’expliquer par une combustion, ou par un Soleil qui se contracterait lentement en s’échauffant à mesure qu’il rétrécit. Aucune de ces idées ne pouvait donner au Soleil une vie assez longue. Les roches de la Terre et le lent travail des êtres vivants semblaient exiger bien plus de temps que le Soleil ne pouvait en durer selon tous les processus connus. Ceux qui étudiaient les roches et ceux qui étudiaient le ciel donnaient des réponses différentes, et personne ne parvenait à les mettre d’accord.

La réponse vint d’une nouvelle branche de la science, qui étudiait le noyau, le minuscule centre de l’atome. Dans les années 1920 et 1930, les scientifiques apprirent que des noyaux pouvaient s’unir et libérer de l’énergie. En 1939, un scientifique nommé Hans Bethe détermina, étape par étape, quelles réactions pouvaient se produire dans le cœur d’une étoile comme le Soleil. Il montra que la fusion de l’hydrogène en hélium pouvait faire briller le Soleil pendant des milliards d’années. La vieille énigme fut résolue par un calcul minutieux, fait à un bureau avec du papier et un crayon.

Souvenez-vous de Cecilia Payne, rencontrée lors d’une nuit précédente. En 1925, elle découvrit que les étoiles sont faites surtout d’hydrogène et d’hélium. Sa découverte et le calcul de Bethe s’emboîtent comme les deux moitiés d’une même assiette. Les étoiles sont faites surtout d’hydrogène, et l’hydrogène est leur combustible. L’hélium provient en partie de ce qui a été fabriqué pendant les premières minutes de l’Univers et en partie de ce que les étoiles ont fabriqué depuis.

La question suivante était plus grande encore. Si les étoiles peuvent fabriquer de l’hélium, peuvent-elles fabriquer aussi d’autres éléments ? En 1957, quatre scientifiques, Margaret Burbidge, Geoffrey Burbidge, William Fowler et Fred Hoyle, rédigèrent un long article décrivant comment les étoiles pouvaient construire presque tous les éléments, l’un après l’autre, aux différentes étapes de leur vie. Fred Hoyle est la même personne qui, des années plus tôt, avait donné au Big Bang son nom lors d’une émission de radio, bien qu’il ne fût pas d’accord avec cette idée. Sur cette question-ci, ses travaux contribuèrent à montrer d’où venaient la plupart des éléments. D’autres scientifiques suivaient des pistes semblables à la même époque, et au cours des décennies suivantes, de nombreuses observations confirmèrent la représentation générale.

Voyez comment ce savoir a été construit. Personne n’a jamais visité le centre d’une étoile. Tout a été appris grâce à la lumière, grâce à des expériences sur les noyaux dans des laboratoires terrestres et grâce au calcul. Comme tant de découvertes de ce livre, ce fut le travail de personnes à leur bureau et dans leur laboratoire, vérifiant les chiffres les unes des autres, parfois pendant de nombreuses années.

Comment finit une grosse étoile

Une étoile comme le Soleil passe la plus grande partie de sa vie à transformer de l’hydrogène en hélium. Quand l’hydrogène de son cœur vient à manquer, l’étoile change. Ses couches extérieures gonflent, et elle devient une grande étoile plus froide et rougeâtre, appelée géante rouge. Dans son cœur, ce sont maintenant des noyaux d’hélium qui commencent à s’unir, pour former du carbone et de l’oxygène. À la fin, une étoile comme le Soleil repousse doucement ses couches extérieures dans l’espace, comme une coquille de gaz lumineuse. Ce qui reste est un petit cœur chaud et très dense, appelé naine blanche, qui se refroidit lentement pendant très longtemps.

Les étoiles beaucoup plus lourdes que le Soleil vivent plus vite et finissent de manière plus spectaculaire. Leur grand poids rend leur cœur plus chaud, si bien qu’elles peuvent aller plus loin. Après le carbone et l’oxygène, elles fabriquent du néon, du magnésium, du silicium et enfin du fer. L’étoile se structure en couches, un peu comme un oignon, avec les éléments les plus lourds plus près du centre. Mais le fer est le bout de ce chemin. Unir des noyaux de fer ne dégage pas d’énergie ; cela en consomme. Alors, quand le cœur d’une grosse étoile se remplit de fer, son four n’a plus rien à donner.

La rapidité de la vie d’une étoile dépend de son poids. Une étoile comme le Soleil a une vie totale d’environ 10 milliards d’années ; elle se trouve donc aujourd’hui à peu près au milieu de sa vie active. Les étoiles les plus lourdes épuisent leur combustible en quelques millions d’années seulement, ce qui est très court pour une étoile. C’est un peu comme deux travailleurs aux métiers différents : l’un travaille à un rythme régulier pendant toute une longue carrière, tandis que l’autre travaille à une vitesse folle et a fini très tôt. Tous deux laissent quelque chose derrière eux, mais le travailleur rapide laisse les résultats les plus spectaculaires.

Sans l’énergie qui pousse vers l’extérieur, le cœur s’effondre sous son propre poids en un instant. Les couches extérieures tombent vers l’intérieur, rebondissent et sont projetées dans l’espace lors d’une immense explosion appelée supernova. Pendant quelques semaines, une seule supernova peut briller autant qu’une galaxie entière d’étoiles. L’explosion disperse le carbone, l’oxygène, le silicium, le fer et bien d’autres éléments que l’étoile a fabriqués au cours de sa vie. Elle fabrique aussi de nouveaux éléments dans la chaleur violente de l’explosion elle-même. Ce qui reste au centre peut être une étoile à neutrons, une boule de matière si dense qu’une cuillerée pèserait autant qu’une montagne, ou, dans les cas les plus lourds, un trou noir.

Certains des éléments les plus lourds, comme l’or, ont besoin de conditions très particulières. Pendant de nombreuses années, les scientifiques pensèrent qu’un lieu possible était la collision de deux étoiles à neutrons. En 2017, des astronomes observèrent exactement une telle collision. Des instruments capables de percevoir de minuscules rides dans l’espace lui-même captèrent le signal de deux étoiles à neutrons qui spiralaient l’une vers l’autre, puis des télescopes du monde entier virent la lumière de l’événement. Dans cette lumière, ils trouvèrent des signes d’éléments lourds tout juste fabriqués, dont des éléments comme l’or. Aujourd’hui, les scientifiques pensent que les éléments lourds proviennent de plusieurs types d’événements, et ils cherchent encore à déterminer la contribution de chacun.

Les éléments dispersés ne restent pas perdus. Ils se mêlent aux nuages de gaz et de poussière situés entre les étoiles. Plus tard, ces nuages s’effondrent pour former de nouvelles étoiles et de nouvelles planètes. Chaque nouvelle génération d’étoiles naît avec un peu plus d’éléments lourds que la précédente. Une galaxie ressemble à une grande cuisine lente où l’on se sert encore et encore des mêmes casseroles, et où chaque repas laisse un peu plus de saveur pour le suivant.

Les atomes de votre corps

Revenons maintenant à nous-mêmes. Votre corps est fait de nombreux éléments. En poids, la plus grande part est l’oxygène, en majeure partie dans l’eau que vous contenez. Il y a du carbone dans chaque cellule vivante. Il y a de l’azote dans les protéines de vos muscles. Il y a du calcium dans vos os et vos dents. Il y a du fer dans votre sang, qui transporte l’oxygène de vos poumons vers chaque partie de vous.

Presque aucun de ces éléments n’existait pendant les premières minutes de l’Univers. Comme nous l’avons vu lors d’une nuit précédente, ces minutes ont surtout fabriqué de l’hydrogène et de l’hélium, et une infime quantité de lithium. Le carbone, l’azote et l’oxygène de votre corps ont été fabriqués plus tard, à l’intérieur des étoiles. Le calcium et le fer viennent eux aussi des étoiles, en grande partie d’étoiles qui ont explosé bien avant la naissance du Soleil. Au sens le plus réel, vous êtes construit à partir des restes d’étoiles qui ont vécu et sont mortes avant que notre système solaire existe.

Il y a une exception importante. L’hydrogène de votre corps, dans l’eau que vous buvez et dans les aliments que vous mangez, n’a pas été fabriqué dans les étoiles. L’hydrogène est l’élément le plus simple, et presque tout l’hydrogène vient des premières minutes de l’Univers. En nombre d’atomes, l’hydrogène est l’élément le plus répandu de votre corps. Vous portez donc en vous les deux sortes d’histoire : l’Univers des tout débuts, dans votre hydrogène, et le long travail de nombreuses étoiles, dans presque tout le reste.

C’est vrai aussi de tout ce qui entoure Noor sur la station. L’aluminium des parois, l’oxygène des réservoirs d’air, le silicium des puces électroniques et le carbone de sa nourriture viennent tous des étoiles. Le métal de la boîte qui contenait la flamme bleue a été fabriqué, atome par atome, dans des ateliers stellaires il y a des milliards d’années. Même la lumière de cette flamme bleue provenait d’atomes qui se trouvaient autrefois à l’intérieur d’une étoile.

Il n’est pas facile de le ressentir de tout son cœur. Une tasse de thé ne ressemble pas aux restes d’étoiles anciennes. Mais la prochaine fois que vous tiendrez quelque chose de lourd, un outil au travail, une casserole dans la cuisine, une pierre sur un chemin, vous pourriez vous rappeler que ses atomes sont plus vieux que la Terre. Ils ont voyagé à travers l’espace, à travers des nuages et à travers de nouvelles étoiles avant de venir se poser dans votre main.

Un message pour Sami

À la fin de la journée, Noor entra en flottant dans sa cabine de couchage et remonta la fermeture de son sac jusqu’à la poitrine. Elle pensa à la flamme ronde et bleue, et au Soleil, qui s’était levé et couché seize fois ce jour-là pour la station. Elle ouvrit sa petite tablette et écrivit à Sami.

« Non, le Soleil n’est pas un feu, écrivit-elle. C’est une sorte de four où l’hydrogène se transforme en hélium. Les grosses étoiles fabriquent aussi d’autres choses : du carbone, de l’oxygène, du fer. Quand elles meurent, elles projettent tout cela dans l’espace, et de nouvelles étoiles et de nouvelles planètes en sont faites. Le fer de ton sang a été fabriqué dans une étoile. Alors, quand tu seras fatigué cette nuit, souviens-toi que tu es fait d’un matériau très ancien et très solide. »

Vers trois heures du matin, sur une route tranquille tout en bas, Sami s’arrêta pour sa pause. Il lut le message deux fois, mangea un sandwich et leva les yeux, à travers le pare-brise, vers quelques étoiles brillantes entre les nuages. Il répondit : « Un matériau très solide. Je le dirai à mon dos quand je soulèverai les derniers cartons. »

Peut-être êtes-vous, vous aussi, en train de terminer une longue journée. Vos mains sont peut-être fatiguées, votre dos vous fait peut-être mal, et demain attend peut-être déjà. Mais la matière dont vous êtes fait est passée par le cœur des étoiles. Ce soir, elle n’a besoin que d’un bon repos.

Idées reçues

Beaucoup de gens pensent que chaque atome de leur corps a été fabriqué à l’intérieur d’une étoile. C’est une belle idée, et elle est en grande partie vraie, mais pas complètement. La plupart des éléments de votre corps, comme le carbone, l’oxygène, le calcium et le fer, ont bien été fabriqués dans les étoiles. Mais l’hydrogène, qui entre dans chaque molécule d’eau et dans beaucoup de molécules de vos cellules, a été fabriqué pendant les premières minutes de l’Univers. Il est donc plus exact de dire que vous êtes fait à la fois d’une matière venue du commencement de l’Univers et d’une matière venue des étoiles.

Beaucoup de gens pensent aussi que le Soleil et les étoiles brûlent comme un feu. C’est naturel, car ils sont chauds et brillants, et le mot « brûler » leur est souvent appliqué dans le langage courant. Mais un feu est une réaction chimique qui a besoin d’oxygène et ne change que la façon dont les atomes sont liés. Le Soleil brille par fusion : les centres des atomes d’hydrogène s’unissent et deviennent de l’hélium, et un peu de matière se transforme en une grande quantité d’énergie. C’est pourquoi le Soleil peut briller pendant des milliards d’années et n’a pas besoin d’air.

Enfin, certains pensent que l’or et d’autres éléments lourds ont été fabriqués lors du Big Bang, avec tout le reste. En réalité, les premières minutes de l’Univers n’ont fabriqué que les éléments les plus légers : l’hydrogène, l’hélium et un peu de lithium. L’Univers s’est refroidi trop vite pour construire quoi que ce soit de plus lourd. L’or et les autres éléments lourds ont été fabriqués bien plus tard, lors d’événements extrêmes comme la collision d’étoiles à neutrons, et probablement dans certaines étoiles qui explosent. L’or d’une bague est donc bien plus jeune que l’hydrogène d’un verre d’eau. Lors de la prochaine nuit, nous suivrons certains de ces éléments dispersés tandis qu’ils se rassemblent pour former une nouvelle étoile et ses planètes : le Soleil et la Terre.