L’Univers est composé principalement de deux éléments : l’hydrogène et l’hélium. Ces éléments, produits en grande quantité lors du Big Bang, constituent l’essentiel de la matière observable dans le cosmos. Pourtant, sur Terre, ils sont étonnamment rares. L’hydrogène, bien qu’abondant sous forme d’eau, ne constitue en effet qu’une infime fraction de la masse de la Terre. Quant à l’hélium, il est si rare qu’il n’a été découvert qu’au dix-neuvième siècle grâce à ses lignes spectrales observées lors d’une éclipse solaire. Mais alors, pourquoi ces éléments si abondants dans l’Univers se font-ils si discrets sur notre planète ?
L’origine cosmique de l’hydrogène et de l’hélium
La prévalence de l’hydrogène et de l’hélium remonte aux tout premiers instants après le Big Bang, il y a environ 13,8 milliards d’années. Pendant cette période initiale, l’Univers était extrêmement dense et chaud, composé principalement d’une soupe de quarks et de gluons. En se refroidissant, ces quarks se sont combinés pour former des protons et des neutrons, les constituants de base des atomes.
Dans les trois premières minutes après le Big Bang, les conditions de température et de pression étaient alors idéales pour permettre la fusion nucléaire, un processus qui a conduit à la formation des noyaux atomiques les plus légers. L’hydrogène, l’élément le plus simple, a été produit en grande quantité. Simultanément, une petite fraction de ces protons et neutrons s’est fusionnée pour former de l’hélium.
La plupart des éléments lourds n’ont donc pas été formés durant cette phase initiale du Big Bang. Ils sont apparus plus tard, dans le cœur des étoiles. En effet, les étoiles agissent comme des fours nucléaires qui transforment l’hydrogène en hélium par fusion nucléaire au cours de leur vie. Au fur et à mesure que les étoiles vieillissent, elles peuvent créer des éléments encore plus lourds comme le carbone, l’oxygène et ainsi de suite jusqu’au fer. Ces éléments sont ensuite dispersés dans l’Univers lors d’explosions de supernovae, enrichissant alors le milieu interstellaire en matériaux qui formeront des générations futures d’étoiles et de planètes.
Malgré ces transformations, la majorité de la matière baryonique de l’Univers (celle que l’on peut voir) demeure sous forme d’hydrogène et d’hélium (environ 74 % et 24% respectivement). Ce déséquilibre s’explique par la simplicité et la stabilité des noyaux d’hydrogène et d’hélium qui ont persisté tout au long de l’évolution cosmique.
Le paradoxe de la rareté sur Terre
Malgré leur abondance universelle, l’hydrogène et l’hélium sont des éléments relativement rares sur Terre (0,14 % et 0,00052 % de la croûte terrestre en masse respectivement). Ce phénomène peut sembler paradoxal au premier abord, étant donné leur prévalence dans l’Univers, mais il s’explique par les conditions uniques de formation et d’évolution de la Terre.
Bien qu’étant un composant essentiel de l’eau, l’hydrogène est en réalité rare sous forme libre sur Terre. La raison principale est que l’hydrogène moléculaire (H₂) est un gaz très léger capable de s’échapper facilement de l’atmosphère terrestre. La gravité de notre planète n’est en effet pas suffisamment forte pour retenir ce gaz léger sur de longues périodes. En revanche, l’hydrogène se lie facilement à d’autres éléments, formant de l’eau (H₂O) et divers composés organiques, ce qui contribue à sa présence dans l’environnement terrestre.
Quant à l’hélium, sa rareté est encore plus marquée. En tant que gaz noble, il ne se combine pas chimiquement avec d’autres éléments, ce qui signifie qu’il n’est pas piégé dans les composés terrestres. De plus, tout comme l’hydrogène, sa faible masse atomique lui permet de s’échapper facilement de l’atmosphère terrestre. La plupart de l’hélium que l’on trouve sur Terre provient principalement de la désintégration radioactive de certains éléments lourds dans les profondeurs de la planète, et non du disque protoplanétaire initial.
Autrement dit, alors que les planètes géantes gazeuses comme Jupiter ont conservé une grande partie de leur hydrogène et de leur hélium prélevés dans le disque protoplanétaire à partir duquel elles sont nées en raison de leur taille massive et de leur forte gravité, la Terre, plus petite et plus proche du Soleil, a perdu la plupart de ces éléments légers.
