Abondance des éléments chimiques

« Si vous voulez faire une tarte aux pommes à partir de rien, il vous faudra d'abord créer l'Univers »

— Carl Sagan, Cosmos[4].

Les éléments, c'est-à-dire la matière baryonique normale, constituée de protons, de neutrons et d'électrons, forment seulement une petite fraction du contenu de l'Univers. Les observations cosmologiques permettent de déduire que cette matière baryonique ne formerait que 4,6 % du contenu de l'Univers, le reste se partageant en énergie et en matière noire[6].

Abondance en masse des éléments chimiques dans le système solaire (74 % d'hydrogène, 24 % d'hélium et 2 % des autres éléments). La différence peut sembler faible par rapport aux abondances pour le Big Bang et l'univers actuel, « mais elle est essentielle : c'est dans le 2 % du « reste » que se trouvent les éléments chimiques qui ont permis de fabriquer les planètes, en particulier les telluriques dont la Terre avec la vie à sa surface[7] ».

La matière baryonique standard se trouve dans les étoiles et les nuages interstellaires, sous forme d'atomes ou d'ions, ainsi que d'autres formes de matière plus exotiques dans certains lieux astrophysiques, comme les très hautes densités dans les naines blanches et les étoiles à neutrons.

L'abondance des éléments dans l'univers est établie par l'analyse directe (spectrométrie de masse appliquée aux matériaux terrestres, aux météorites et aux échantillons de roche de la lune) et par l'analyse indirecte (étude spectrophotométrique du rayonnement émis par les étoiles, notamment par le Soleil)[8]. « De la composition du Soleil on est passé à la notion d’abondance cosmique en comparant les spectres de la lumière reçue des étoiles et des galaxies. Quoique l’information obtenue soit d’autant moins précise que la distance à l’objet analysé est plus grande, on constate que la composition chimique des étoiles est identique à celle du Soleil. On peut donc considérer que, dans l’état actuel des connaissances, la composition du Soleil représente la composition de l’Univers. D’où le vocable d’abondance cosmique[9]. »

L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'Univers, suivi par l'hélium. Après le carbone, l'abondances des espèces chimiques varie en fonction inverse de leurs numéros atomiques : l'oxygène vient en troisième position, avec un numéro atomique de 8. Tous les autres sont significativement moins abondants. L'abondance des éléments légers est bien prédite théoriquement par les modèles cosmologiques standards, puisque selon ceux-ci ce sont les seuls éléments existants à l'origine : ils sont produits après le Big Bang (en quelques centaines de secondes), au cours de la nucléosynthèse primordiale. Les éléments les plus lourds sont le produit de la nucléosynthèse stellaire qui se déroule surtout dans les stades avancés de l'évolution des étoiles massives[alpha 1] (au-delà du fer, le bilan énergétique n'est plus favorable et la nucléosynthèse stellaire cesse, entraînant la mort de l'étoile et son explosion en supernova, la nucléosynthèse explosive produisant les éléments plus lourds que le fer). Enfin, les éléments légers lithium, béryllium et bore, de numéros atomiques 3,4 et 5, sont principalement issus de la nucléosynthèse interstellaire[10].

L'hélium 3 est un élément rare sur Terre, et recherché pour son utilisation dans la recherche sur la fusion thermonucléaire. On suppose qu'il existe sur la Lune des grandes quantités de cet isotope de l'hélium. L'hélium est produit également (en plus de ce qui a été produit lors du Big Bang), au cœur des étoiles lors de la fusion de l'hydrogène, soit par la chaine proton-proton, soit par le cycle CNO.

L'hydrogène et l'hélium sont supposés compter respectivement pour environ 74 et 24 % de toute la matière baryonique de l'Univers. Malgré leurs très faibles quantités, dans l'Univers, les autres éléments peuvent influencer grandement les phénomènes astrophysiques. La Voie lactée n'est formée en masse que de 2 % d'éléments autres que l'hydrogène et l'hélium.

Les CHNOPS et les métaux les plus abondants des cellules biologiques (les diamètres sont proportionnels au pourcentage de poids sec).

Abondance des éléments chimiques dans le corps humain.

La vie a choisi parmi les 27 éléments qui y interviennent[13], principalement les CHNOPS ou CHON (le carbone C, l'hydrogène H, l'azote N, l'oxygène O, le phosphore P et le soufre S), acronyme utilisé par la communauté astrobiologique pour se rappeler des éléments fondamentaux qui composent tout organisme vivant. Les CHNOPS font partie de la famille des non-métaux correspondant aux plus petits éléments du tableau périodique qui atteignent une configuration électronique stable et qui ont tendance à former les liaisons les plus fortes[14]. L'abondance de l'oxygène et de l'hydrogène est liée à la forte proportion d'eau qui constitue les êtres vivants. Le carbone et le silicium font partie du même groupe mais leurs propriétés respectives expliquent la chimie de la vie basée sur le carbone (en) et non sur le silicium[alpha 2].

Les majorité des éléments chimiques qui composent le corps humain (à l'exception de l'hydrogène issu de la nucléosynthèse primordiale) sont créés au cœur des étoiles (nucléosynthèse stellaire engendrée par les réactions nucléaires), d'où l'expression poétique sur les hommes constitués de « poussières d'étoiles » issues des cendres des réactions nucléaires qui ont rythmé la vie d'anciennes étoiles avant leur explosion et l'ensemencement ultérieur de la nébuleuse solaire. Cette expression, introduite en 1973 par l'astronome Carl Sagan à l'occasion d'une émission de vulgarisation scientifique, est popularisée auprès du public francophone en 1984 par le livre au titre éponyme de l'astrophysicien Hubert Reeves[15] - [alpha 3].