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Avant nous

Quiconque a grandi avec un téléviseur analogique connaît le son : le souffle entre deux chaînes, et la neige grise qui dansait avec lui. L'essentiel de cette neige était banal, du bruit électrique venu du poste, du Soleil, de la mobylette d'un voisin. Mais une petite fraction, selon certaines estimations à peu près un scintillement sur cent, était autre chose. C'était un rayonnement en voyage depuis avant l'existence de la moindre étoile, arrivant dans un salon après plus de treize milliards d'années pour être ignoré par quelqu'un qui cherchait le match. Cette lueur faible et uniforme est la plus vieille lumière observable, et c'est la raison principale pour laquelle la cosmologie est une science plutôt qu'une branche de la spéculation. Elle témoigne d'un univers qui fut un jour chaud, dense et presque sans relief, et où il n'y avait personne. La question de ce chapitre est ce que l'on peut dire d'un tel lieu, et ce que l'on ne peut pas.

Commençons par ce que la lueur nous apprend. En 1964, deux radioastronomes du New Jersey trouvèrent dans leur antenne cornet un souffle persistant qui refusait de disparaître, où qu'ils la pointent, et, après en avoir délogé les pigeons, ils conclurent qu'il venait du ciel, dans toutes les directions à la fois et de façon égale. Des physiciens, un peu plus loin sur la même route, se préparaient à chercher exactement cela. Si l'univers s'était dilaté à partir d'un état chaud et dense, il devait en rester un bain de rayonnement, refroidi par l'expansion jusqu'à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. On le mesure aujourd'hui à 2,725 kelvins, avec un spectre qui épouse celui d'une source thermique parfaite de plus près que n'importe quel objet fabriqué en laboratoire.

Ce rayonnement a été libéré quand l'univers avait à peu près 380 000 ans. Avant cela, c'était un plasma trop chaud pour que les atomes tiennent ensemble, et la lumière se dispersait sur les électrons libres comme le faisceau d'une lampe torche dans le brouillard. Quand la température a assez baissé pour que les électrons se fixent sur les noyaux, le brouillard s'est levé, vite à l'échelle cosmique, et la lumière s'est élancée à travers un espace soudain transparent. Nous la voyons de toutes les directions parce qu'elle nous vient d'une coquille qui nous entoure : les lieux dont la lumière a eu juste assez de temps pour arriver. Regardez plus loin et vous regarderiez plus tôt, mais il n'y a rien à voir ; le brouillard est sur le chemin.

L'expansion elle-même a été trouvée la première. Dans les années 1920, les astronomes ont remarqué que la lumière des galaxies lointaines est étirée vers le rouge, et que plus la galaxie est loin, plus l'étirement est grand. Passez ce film à l'envers et tout converge. Mesurée avec soin, à partir de la lueur, des galaxies et des étoiles qui explosent et servent de bornes de distance, la convergence a eu lieu il y a environ 13,8 milliards d'années. La lueur n'est pas parfaitement lisse. Des satellites y ont cartographié des ondulations d'à peu près une part sur cent mille, des taches un peu plus chaudes et un peu plus froides qui sont les germes de tout ce qui a suivi : galaxies, étoiles, planètes, vous. La taille et le motif de ces ondulations permettent aux cosmologistes de peser l'univers, et la pesée trouve que les atomes ordinaires en constituent environ cinq pour cent. Le reste, ce sont deux choses que nous avons nommées sans les comprendre : la matière noire, qui attire, et l'énergie sombre, qui pousse.

Voilà le noyau établi, et il vaut la peine d'être précis sur sa forme. Le Big Bang n'est pas une explosion en un point d'un espace préexistant ; c'est l'espace lui-même qui s'étire, partout à la fois, sans centre et sans bord que quiconque ait trouvé. Les 13,8 milliards d'années sont l'âge de l'expansion, non l'instant mesuré d'une création. Remontez les équations assez loin et elles se brisent ; cette brisure s'appelle une singularité, et c'est le signe que la théorie est arrivée au bout, non la description d'un événement.

Ce que cela fait, c'est donner aux ingrédients d'un corps une chronologie plutôt qu'un décor. L'univers n'est pas une scène qui aurait toujours été là, lumières allumées. Il a eu un premier matin, ou du moins un premier matin mesurable, et pendant la plus grande partie de son histoire rien en lui n'était vivant. Comprimez 13,8 milliards d'années en une seule année et la lueur est libérée dans le premier quart d'heure du 1er janvier ; le Soleil et la Terre se forment au début de septembre ; les premiers humains apparaissent dans le dernier quart d'heure du 31 décembre ; tout ce que contient ce livre à partir de l'agriculture tient dans la dernière demi-minute. La matière ordinaire qui deviendra une main existe dès le départ, sous forme de protons et d'électrons dans un plasma, puis elle attend. Personne ne regarde. Il n'y a pas de couleurs, parce qu'il n'y a pas d'yeux. L'histoire fut réelle sans être vue. C'est une chose étrange à tenir en main, et la plupart des traditions humaines ont trouvé plus simple de placer quelqu'un au commencement pour faire le témoin. Les preuves n'en ont pas besoin. Elles ne le réfutent pas non plus ; elles se taisent sur ce point, ce qui est autre chose.

Il faut marquer les bords honnêtes. La cosmologie peut étudier l'univers observable, la région dont la lumière nous est parvenue, large aujourd'hui de quelques dizaines de milliards d'années-lumière parce que l'espace s'est étiré pendant que la lumière voyageait. Au-delà, elle ne voit pas, et elle ignore si le tout est fini ou infini. Elle ne peut pas dire ce qui, le cas échéant, a précédé l'état chaud et dense. « Pourquoi y a-t-il quelque chose plutôt que rien ? » est une belle question, mais aucune mesure n'a été proposée pour y répondre, et le physicien qui vous dit que l'univers est sorti du néant a discrètement redéfini le néant comme un vide doté de lois, ce qui est déjà beaucoup de quelque chose. Il en va de même pour la finalité : la lueur ne se lit pas comme un message. Le récit dominant de la première fraction de seconde, une bouffée d'expansion extraordinairement rapide appelée inflation, explique avec élégance la régularité et les ondulations, mais ses prédictions distinctives sont difficiles à tester et certains cosmologistes y voient une solution provisoire. Il y a aussi une querelle vivante au cœur des mesures. Le taux d'expansion déduit de la lueur primitive et celui mesuré sur des étoiles proches qui explosent diffèrent de plusieurs pour cent, plus que ne l'autorisent leurs marges d'erreur déclarées. Ou bien une mesure est subtilement fausse, ou bien il manque une pièce au modèle. C'est ainsi qu'un domaine en bonne santé est censé se sentir.

Dans l'atlas Human++, ce chapitre est la scène obscure avant l'entrée de la figure : le champ de particules à l'intérieur de la silhouette encore éteint, l'espace autour faiblement éclairé par une lueur qui est partout et nulle part. C'est la première et la plus vaste forme de dépendance. Un corps repose sur un univers qui a eu la bonne histoire, et rien dans cette histoire n'était négociable ni choisi. Le reste de cette partie remplit la scène obscure de matière. Pour cela, la première question est petite et physique plutôt que grandiose : quand le plasma a refroidi, qu'y avait-il exactement dedans, et pourquoi l'un de ces ingrédients est-il encore l'atome le plus nombreux de votre main ?

Preuves : Établi : le fond diffus cosmologique à 2,725 K, avec un spectre thermique quasi parfait ; sa libération vers 380 000 ans ; l'expansion cosmique et un âge d'environ 13,8 milliards d'années ; des ondulations de température d'environ une part sur 100 000 ; un bilan matière-énergie d'à peu près 5 % de matière ordinaire, 27 % de matière noire, 68 % d'énergie sombre. Débattu ou incertain : l'inflation comme récit du premier instant ; la « tension de Hubble » entre les taux d'expansion de l'univers primitif et de l'univers récent ; la nature de la matière noire et de l'énergie sombre ; la fraction de la neige des téléviseurs analogiques attribuable au fond diffus (couramment citée près de 1 %, ce n'est pas une mesure précise). Hors du champ des preuves : ce qui a précédé l'état chaud et dense, la finitude ou non de l'univers, et toute question de finalité.

Les premiers ingrédients

Un enfant lâche un ballon d'hélium à la fête foraine ; il monte, rapetisse et disparaît, et quelque part un parent explique que l'hélium est plus léger que l'air. C'est vrai, et c'est la chose la moins intéressante à son sujet. Le gaz du ballon n'a pas été tiré de l'atmosphère, qui n'en contient presque pas ; il a été pompé sous terre, où il s'accumule dans des poches de gaz naturel à mesure que l'uranium et le thorium de la roche se désintègrent lentement en crachant des noyaux d'hélium. L'hélium originel de la Terre, la part avec laquelle elle est née, est parti depuis longtemps. La gravité de la planète est trop faible pour retenir quelque chose d'aussi léger, et il fuit vers le haut et s'en va. L'hélium du ballon fera de même. D'ici quelques années il sera au sommet de l'atmosphère, puis dans l'espace, où il rejoindra l'écrasante majorité de ses semblables : de l'hélium fabriqué non dans les roches ni dans les étoiles, mais dans les premières minutes de l'univers. Deux éléments viennent de ce temps-là, l'hélium et l'hydrogène. L'un des deux est l'atome le plus nombreux de votre corps, et il n'a aucune autre histoire d'origine.

La fenêtre fut brève. Dans la première seconde, l'univers était une soupe de particules assez chaude pour que protons et neutrons se changent les uns en les autres par vacillements. En refroidissant, cette conversion a ralenti puis cessé, laissant environ un neutron pour six protons. Un neutron libre est instable ; livré à lui-même, il se désintègre en un quart d'heure environ. Il y eut donc une course. Pour que des noyaux se forment, protons et neutrons devaient se coller ensemble, et la première étape, un proton et un neutron faisant du deutérium, était sans cesse défaite par le flot de lumière de haute énergie qui emplissait encore l'espace. C'est seulement quand la température est tombée sous le milliard de degrés environ, quelques minutes plus tard, que le deutérium a pu survivre assez longtemps pour franchir l'étape suivante. Entre-temps, la désintégration avait réduit les neutrons à environ un sur sept.

Une fois le deutérium stabilisé, le reste est allé vite. Deutérium plus deutérium, ou deutérium plus proton, menait rapidement à l'hélium 3 puis à l'hélium 4, qui est exceptionnellement stable et a fait office de piège : presque tous les neutrons qui existaient encore ont fini à l'intérieur de l'un d'eux. Faites le calcul avec un neutron sur sept et vous obtenez à peu près un quart de la masse de la matière ordinaire sous forme d'hélium et environ trois quarts sous forme d'hydrogène, avec des traces de deutérium résiduel, d'hélium 3 et de lithium 7. C'est presque exactement ce que les astronomes mesurent dans les nuages de gaz les plus intacts qu'ils puissent trouver.

Puis le processus s'est enrayé, pour deux raisons. Il n'existe aucun noyau stable à cinq ou à huit particules, si bien que l'hélium ne pouvait pas simplement ajouter un proton ou fusionner avec un autre hélium pour grimper l'échelle. Franchir ces trous exige que trois noyaux d'hélium se rencontrent presque en même temps, ce qui demande des densités et des températures qui n'existent qu'à l'intérieur des étoiles. Et l'univers se dilatait et refroidissait trop vite pour les fournir. En une vingtaine de minutes, la fournaise était éteinte. Pendant quelque chose comme cent millions d'années, jusqu'aux premières étoiles, le tableau périodique tout entier se composait d'hydrogène, d'hélium et d'une trace de lithium.

Remarquez ce que cela signifie pour l'hydrogène. Les étoiles n'en fabriquent pas ; elles en brûlent. Chaque noyau d'hydrogène qui existe aujourd'hui, à des exceptions négligeables près, est un proton de cette première seconde. L'hydrogène de l'eau de votre main, de ses protéines, de la graisse sous sa peau, n'a été forgé dans aucune étoile. Il était là avant les étoiles, et il attend depuis à peu près 13,8 milliards d'années de faire partie de quelque chose.

Être fait surtout de la matière la plus ancienne change la forme de votre biographie, si l'on compte les atomes au lieu de les peser. En nombre, autour de six atomes sur dix dans un corps humain sont de l'hydrogène, parce que l'eau est deux hydrogènes pour un oxygène et que le corps est surtout de l'eau. En masse, l'hydrogène n'est qu'un dixième environ, parce que chaque atome est si léger. Ainsi l'atome le plus courant du corps et ses contributeurs les plus lourds viennent d'ères entièrement différentes, séparées par des centaines de millions d'années et par les vies et les morts d'étoiles. Le slogan selon lequel nous sommes poussière d'étoiles, qu'un chapitre ultérieur pèse avec plus de soin, est vrai du carbone, de l'oxygène et du fer, et simplement faux de l'hydrogène.

L'univers primitif a fait autre chose encore : il a fixé les proportions de carburant. Parce que les premières minutes ont laissé les trois quarts de toute la matière ordinaire sous forme d'hydrogène, chaque étoile ultérieure a commencé le plein fait. Si le neutron avait été un peu plus stable, ou l'expansion un peu plus lente, une plus grande part de l'hydrogène aurait été verrouillée dans l'hélium dès le départ, et les étoiles qui ont suivi auraient brûlé autrement et seraient mortes plus tôt. Ce n'est pas la preuve que l'univers a été arrangé pour nous. C'est le constat que nous sommes le genre de chose qui arrive dans celui-ci.

Comment savons-nous tout cela ? En partie grâce à la lueur du chapitre précédent, dont les ondulations révèlent la densité de la matière ordinaire, laquelle prédit à son tour la quantité exacte de deutérium résiduel. Les astronomes mesurent le deutérium dans des nuages de gaz distants de milliards d'années-lumière, éclairés par-derrière par des quasars lointains, et le chiffre concorde avec la prédiction à quelques pour cent près. Une théorie sur la troisième minute de l'univers, testée contre une lumière qui a traversé l'essentiel de son histoire et concordant à cette précision, c'est ce que la cosmologie a de plus proche d'un reçu.

Une ligne du reçu ne tombe pas juste. Le même calcul prédit la quantité de lithium 7 qui aurait dû être produite, et les plus vieilles étoiles de notre galaxie en montrent à peu près un tiers. Les astronomes en débattent depuis des décennies. Peut-être ces étoiles ont-elles lentement détruit leur lithium en le brassant vers des couches plus chaudes, ce qui est plausible mais difficile à prouver. Peut-être un taux de réaction nucléaire est-il mal mesuré. Peut-être une particule inconnue a-t-elle modifié la chimie primitive, ce qui serait bien plus excitant et est d'autant moins probable. Le problème du lithium est petit dans un tableau périodique de quelque quatre-vingt-dix éléments naturels, mais c'est un rappel utile : « établi », en science, veut dire testé et pas encore brisé, non pas clos.

Une seconde mise en garde concerne le mot commencement. Les premières minutes ne sont pas le premier instant. Avant les protons et les neutrons, il y eut un état plus chaud de quarks ; avant cela, l'histoire est reconstruite à partir de la physique des particules et de l'extrapolation, non de quoi que ce soit d'observé. La nucléosynthèse est le processus le plus ancien pour lequel il existe un fossile quantitatif. Les affirmations antérieures sont de la physique, souvent de la bonne physique, mais elles ne sont pas encore des preuves.

Dans l'atlas Human++, c'est le moment où le champ de particules à l'intérieur de la silhouette s'allume pour la première fois, et il s'allume presque entièrement d'une seule couleur : l'hydrogène qui emplit le corps en nombre, avant que le moindre élément plus lourd n'ait été fabriqué. Sélectionnez un seul atome d'hydrogène dans la paume et le panneau d'origine n'affiche ni étoile ni explosion, juste un plasma qui refroidit et une horloge qui marque trois minutes. C'est la plus vieille dépendance du corps, plus vieille que la lumière elle-même. Mais un univers d'hydrogène et d'hélium dilués n'est pas encore un univers capable de fabriquer quoi que ce soit. Quelque chose devait le rassembler, et ce quelque chose fut la plus faible des forces qui soient.

Preuves : Établi : la nucléosynthèse primordiale des premières minutes, produisant environ 75 % d'hydrogène et 25 % d'hélium en masse, avec des traces de deutérium, d'hélium 3 et de lithium 7 ; le rapport neutrons/protons et le goulot du deutérium ; l'absence de noyaux stables de masse 5 et de masse 8 ; le deutérium primordial mesuré, concordant avec les prédictions tirées du fond diffus cosmologique ; l'hélium terrestre, radiogénique et s'échappant dans l'espace ; l'hydrogène comme à peu près 60 % des atomes du corps en nombre et environ 10 % en masse. Débattu ou incertain : le problème du lithium primordial (observé à environ un tiers de la prédiction) ; la date exacte des premières étoiles (donnée comme « quelque chose comme cent millions d'années ») ; la physique antérieure à la nucléosynthèse, extrapolée plutôt que directement observée.

La gravité dresse une scène

Imprimez une carte de l'univers proche, un point par galaxie, et épinglez-la au mur. Depuis l'autre bout de la pièce, cela ne ressemble pas à de la poussière éparse. Cela ressemble à une éponge, ou à l'intérieur d'un os : des nœuds brillants reliés par de longs filaments, avec entre eux de grands vides sombres où presque rien ne vit. Notre galaxie est un point sur un filament. Les astronomes ont cartographié des millions de galaxies de cette manière et le motif tient à toutes les échelles qu'ils peuvent atteindre. Voilà la scène sur laquelle tout ce livre se joue, et elle a été dressée par la force la plus faible de la nature. La gravité est si chétive qu'un aimant de réfrigérateur l'emporte sur l'attraction de la Terre entière sur un trombone. Mais elle a deux avantages que les autres forces n'ont pas. Elle ne fait jamais qu'attirer, et elle ne s'éteint jamais. Donnez-lui un univers presque lisse et quelques milliards d'années, et elle produira une éponge.

L'univers presque lisse est celui que la lueur décrivait : de la matière répartie à peu près uniformément, avec des ondulations d'une part sur cent mille. La gravité se nourrit des différences. Une région un peu plus dense que ses alentours attire un peu plus fort, rassemble un peu plus, et attire donc plus fort encore, tandis que les régions qu'elle draine se vident. En quelques centaines de millions d'années, les faibles ondulations se creusent en éponge : la matière s'écoule hors des vides le long de nappes, les nappes se déversent dans des filaments, les filaments alimentent les nœuds où se forment les amas de galaxies. La structure a grandi par le bas, petits grumeaux d'abord, fusionnant en plus gros, ce qui explique pourquoi les vieilles galaxies portent en elles les restes de nombreuses galaxies plus petites qu'elles ont avalées.

Deux choses compliquent ce tableau simple, et les deux comptent. La première est que l'essentiel de l'attraction n'a pas été l'œuvre de la matière ordinaire. Les ondulations de la lueur sont trop faibles, à elles seules, pour avoir donné des galaxies dans le temps disponible ; la lumière écartait le gaz ordinaire presque aussi vite que la gravité le rassemblait. Mais la matière noire, quoi qu'elle soit, ne sent pas la lumière. Elle a commencé à s'effondrer tôt, formant des halos invisibles, et le gaz ordinaire est tombé dans des puits déjà creusés. Chaque galaxie, la nôtre comprise, siège à l'intérieur d'un halo de matériau qui pèse plusieurs fois le poids de ses étoiles et de son gaz. Personne n'a encore attrapé une particule de matière noire ; son existence se déduit de la façon dont les choses bougent et dont la lumière se courbe.

La seconde complication est que rassembler ne suffit pas. Un nuage de gaz comprimé par la gravité s'échauffe, et le gaz chaud résiste ; livré à lui-même, il rebondirait simplement. Pour s'effondrer davantage, le nuage doit perdre de la chaleur, c'est-à-dire la rayonner sous forme de lumière. Les atomes s'en acquittent bien dès qu'ils ont des électrons à faire vibrer, mais dans l'univers primitif, avec rien d'autre que de l'hydrogène et de l'hélium, le seul réfrigérant efficace à basse température était l'hydrogène moléculaire, qui se forme à contrecœur et rayonne faiblement. Les premiers nuages qui ont réussi à s'effondrer étaient donc énormes et chauds, et les objets qui se sont condensés en eux étaient grands en proportion. C'est le refroidissement, non la gravité, qui a fixé la taille des premières étoiles.

La séquence, donc : des ondulations, des halos invisibles, du gaz qui tombe et refroidit, une fragmentation en nuages, des nuages en cœurs denses. Vers cent millions d'années après le commencement, selon les estimations actuelles, le premier de ces cœurs a atteint la température à laquelle le chapitre suivant peut commencer.

Ce que la gravité a fait pour le corps à venir est moins visible que ce qu'ont fait les étoiles, mais cela vient d'abord. Un univers de gaz uniformément réparti, si riche soit-il, ne fabrique rien. Pas de feu sans concentration, pas de chimie sans lieux où les choses se rencontrent. La gravité a créé des lieux : ici dense, là vide ; ici chaud, là froid. Chaque processus ultérieur de ce livre tourne sur des différences de ce genre. Une étoile est une différence entre son cœur et le vide qui l'entoure. Une planète est une différence entre la roche et l'espace. Une cellule vivante, dans quelques chapitres, sera une différence entretenue entre un dedans et un dehors. La gravité est la première fabricante de dedans et de dehors, et elle n'a eu besoin d'aucune instruction.

Elle a aussi fixé un budget. La quantité de matière ordinaire rassemblée dans notre galaxie, et le rythme auquel elle l'a été, ont décidé du nombre de générations d'étoiles qui pouvaient se former avant le Soleil, et donc de la quantité de carbone et de fer dont le nuage du Soleil hériterait. Les galaxies qui ont fait des étoiles trop avidement et trop tôt ont soufflé leur gaz au loin et restent silencieuses aujourd'hui ; les galaxies naines qui n'ont jamais rassemblé grand-chose sont pauvres en éléments lourds jusqu'à ce jour. La Voie lactée se trouvait être une galaxie de la bonne masse et du bon tempérament pour avoir mené plusieurs tournées d'étoiles au moment où un nuage dans un bras spiral s'est effondré en Soleil. « Bonne » signifie ici bonne pour nous produire, non bonne en un sens absolu. Du point de vue d'une galaxie naine, tout va très bien.

La tentation, à ce stade, est un récit où les cadrans auraient été réglés pour notre bénéfice. Si la gravité avait été un peu plus forte, les étoiles se seraient consumées vite ; un peu plus faible, et peut-être pas d'étoiles du tout. L'observation est vraie et l'inférence qu'on en tire est faible. Nous ne pouvons nous trouver que dans un univers dont les réglages permettent qu'on s'y trouve ; le fait qu'ils le permettent n'est donc pas une surprise qui exigerait un planificateur, c'est un effet de sélection. Qu'il existe d'autres univers avec d'autres réglages est une question ouverte sans aucune prise observationnelle, ce qui la place, comme les commencements absolus, hors du champ des preuves.

Il y a des disputes plus productives. Le modèle standard de la matière noire froide prédit, aux petites échelles, plus de galaxies satellites naines autour de la Voie lactée qu'on n'en trouve aisément, et des cœurs plus denses dans ces naines que ceux qu'on mesure ; les remèdes proposés vont d'une meilleure comptabilité du gaz ordinaire à d'autres sortes de matière noire. Et depuis 2022, le nouveau télescope spatial infrarouge a trouvé, dans les premières centaines de millions d'années, des galaxies qui paraissent plus brillantes et plus massives que certaines simulations ne l'attendaient. Que cela brise le modèle ou signifie seulement que la formation des premières étoiles a été plus efficace que supposé, on en débat en ce moment même. L'éponge n'est pas en doute. La recette de ses fils les plus fins l'est encore.

L'atlas traite ce chapitre comme le plan de recul : la caméra quitte le champ de particules à l'intérieur de la silhouette, s'élève au-delà de la figure, et continue de monter jusqu'à ce que la scène elle-même devienne un nœud brillant dans une toile de nœuds. Puis elle revient. Le but est l'orientation, non le vertige. Le corps est une concentration locale dans un univers dont l'état par défaut est le vide, et sa matière lui est venue par une longue série de rassemblements où il n'a eu aucune part. Le premier de ces rassemblements est sur le point d'atteindre une température qu'aucun nuage n'avait atteinte auparavant, et un univers obscur va recevoir sa première lumière.

Preuves : Établi : la croissance de la structure cosmique à partir des petites ondulations de densité visibles dans le fond diffus cosmologique ; la « toile cosmique » de filaments et de vides cartographiée par les relevés de galaxies ; la nécessité de la matière noire pour expliquer la croissance des structures, la rotation des galaxies et les lentilles gravitationnelles ; l'assemblage hiérarchique (par le bas) ; le faible refroidissement du gaz sans métaux par l'hydrogène moléculaire et son effet sur les premiers nuages en effondrement. Débattu ou incertain : la nature de la matière noire (jamais détectée directement) ; les tensions aux petites échelles, comme les problèmes des « satellites manquants » et du « cœur-cuspide » ; la maturité apparente de certaines galaxies très précoces vues par le JWST depuis 2022 ; l'époque exacte des premiers cœurs en effondrement (« vers cent millions d'années »). Hors du champ des preuves : les arguments de réglage fin et les hypothèses de multivers.

Les premières étoiles

Placez-vous dans le soleil d'hiver et tournez-lui le dos de la main. La chaleur arrive après une traversée de huit minutes depuis la surface du Soleil, ce qui est rapide. La traversée précédente ne l'était pas. L'énergie sur votre peau a été libérée dans le cœur du Soleil, et la lumière qui y naît ne peut pas voyager en ligne droite ; elle est absorbée et réémise d'innombrables fois, titubant vers l'extérieur à travers un plasma dense, une fraction de centimètre à la fois. Les estimations de la durée de cette marche au hasard vont de quelques dizaines de milliers d'années à bien plus de cent mille. La chaleur sur votre main est donc, en un sens raisonnable, plus vieille que l'agriculture. Elle est aussi de seconde main. Le Soleil fait maintenant ce qu'une génération d'étoiles bien antérieure a fait la première, dans un univers qui n'avait jamais vu d'étoile, et ce chapitre parle de ces premières-là : ce qui s'est passé en elles, ce qui en est sorti, et pourquoi elles ne sont pas les usines qu'une histoire bien rangée préférerait.

Une étoile est un bras de fer. La gravité comprime une boule de gaz ; le gaz s'échauffe ; la chaleur résiste. Pendant la plus grande partie de la vie d'une étoile, les deux forces s'équilibrent, et l'équilibre est tenu par une fournaise centrale qui brûle juste assez vite pour remplacer la chaleur qui fuit par la surface. La fournaise, c'est la fusion nucléaire. Dans le cœur, à une quinzaine de millions de degrés dans le cas du Soleil, les noyaux d'hydrogène vont assez vite pour s'approcher de près malgré leur répulsion électrique, et la mécanique quantique leur permet parfois de franchir par effet tunnel ce qui en reste. Par une courte chaîne d'étapes, quatre protons deviennent un noyau d'hélium. L'hélium pèse environ sept dixièmes de pour cent de moins que ne pesaient les quatre protons. La masse manquante est devenue énergie. Le Soleil convertit autour de quatre millions de tonnes de matière en lumière chaque seconde, et il le fait depuis quatre milliards et demi d'années sans faiblir de façon notable.

Les premières étoiles ont fait de même avec de moins bons ingrédients. Elles se sont formées, selon les estimations actuelles, entre cent et deux cents millions d'années après le commencement, à partir d'un gaz qui était de l'hydrogène et de l'hélium et rien d'autre. Comme le notait le chapitre précédent, un tel gaz refroidit mal, si bien que les nuages qui se sont effondrés étaient massifs, et que les étoiles qu'ils ont faites étaient probablement des géantes : des dizaines de masses solaires, peut-être des centaines, assez chaudes pour luire d'un blanc bleuté et déverser de l'ultraviolet. Les grandes étoiles brûlent vite. Une étoile de cent masses solaires vit quelques millions d'années, un millième de la durée du Soleil, avant que son cœur ne vienne à manquer d'hydrogène.

Alors le bras de fer reprend, avec une mise plus haute. La fournaise éteinte, la gravité comprime encore le cœur ; il chauffe jusqu'à ce que l'hélium lui-même puisse fusionner, et là, pour la première fois nulle part, trois noyaux d'hélium se rencontrent pour faire du carbone, et le carbone en prend un quatrième pour faire de l'oxygène. Dans les étoiles les plus massives, la compression se poursuit par étapes, carbone, néon, oxygène, silicium, chacune plus courte que la précédente, chacune laissant une cendre plus lourde, jusqu'à ce que le cœur soit de fer. Le fer est le terminus. Fusionner du fer coûte de l'énergie au lieu d'en libérer, si bien que la fournaise n'a plus rien à brûler, et que l'étoile passe, en un jour environ, un très mauvais moment. Un chapitre ultérieur suit cette fin. Pour l'instant, ce qui compte, c'est ce que la combustion a fait à l'univers extérieur. La lumière ultraviolette des premières étoiles a arraché leurs électrons à l'hydrogène alentour, et en plusieurs centaines de millions d'années ces bulles de gaz ionisé ont grandi et fusionné jusqu'à ce que l'univers entier soit de nouveau transparent, d'une manière nouvelle. L'âge sombre a pris fin, et les premiers éléments lourds, soufflés à la mort de ces étoiles, se sont mêlés au gaz environnant.

Le changement qui compte le plus est celui que les premières étoiles ont fait pour les secondes. Même un léger saupoudrage de carbone et d'oxygène permet à un nuage de gaz de refroidir bien plus efficacement que ne le peut l'hydrogène pur, et un nuage qui refroidit bien peut se fragmenter en morceaux plus petits. Ainsi, une fois que la première génération avait ensemencé le gaz, les étoiles qui s'en formaient pouvaient être plus petites, plus durables et plus nombreuses. Quelque chose comme le Soleil, une étoile modeste qui brûle avec régularité pendant dix milliards d'années, n'est possible que dans un gaz enrichi. Les premières étoiles ont réécrit les règles de la fabrication des étoiles, et chaque étoile ultérieure, et chaque planète autour d'une étoile ultérieure, vit sous les règles amendées.

Le second changement, c'est la lumière. Avant les premières étoiles, l'univers était un brouillard tiède qui s'assombrissait, éclairé seulement par la lueur déclinante de son propre commencement. Après elles, il y eut des points de lumière, et des ombres, et des lieux plus brillants que d'autres. Cela compte plus qu'il n'y paraît. Chaque processus qui pilotera plus tard la chimie, le climat et finalement la vie sur une planète est entraîné par un flux d'énergie d'une source chaude vers un puits froid, et la fusion dans les étoiles est la source de presque tout. La chaleur sur le dos de votre main est l'extrémité d'une chaîne d'approvisionnement qui a commencé dans ces premières fournaises. Rien dans la chaîne n'a été arrangé pour votre main. C'est simplement ce que fait l'hydrogène chaud.

Personne n'a vu une première étoile. Tout ce qui précède est inférence : à partir de simulations de gaz primordial en effondrement ; à partir de la chimie des plus vieilles étoiles de notre galaxie, pauvres en éléments lourds et porteuses de motifs qui ressemblent à la cendre de prédécesseurs très massifs ; et à partir de faibles galaxies précoces dont la lumière laisse deviner des populations chaudes et sans métaux. Ces preuves suffisent pour être confiant que les premières étoiles étaient massives et brèves, et ne suffisent pas pour trancher à quel point elles étaient massives. Les premières simulations suggéraient des monstres solitaires de plusieurs centaines de masses solaires ; des simulations plus récentes trouvent que les disques en effondrement tendent à se fragmenter, produisant des amas et des paires avec une dispersion plus large, incluant peut-être quelques étoiles assez petites pour être encore vivantes aujourd'hui. Si l'on en trouve jamais une, ce chapitre aura besoin d'un nouveau paragraphe.

Il y a aussi un mot auquel résister. Une étoile n'est pas une usine, au sens d'un lieu arrangé pour produire quelque chose. Elle fait du carbone parce que le carbone est ce que fait l'hélium sous pression, sans plus d'intention qu'une bouilloire n'en a à faire de la vapeur. Les éléments d'un corps sont sortis des étoiles comme échappement et comme débris. Les appeler produits met dans la fournaise une finalité que la physique ne contient pas.

L'atlas ouvre ce chapitre depuis le champ de particules à l'intérieur de la silhouette avec une seule étoile schématique : non le Soleil mais une étoile précoce, chaude et bleue, sans planètes, étiquetée comme reconstitution parce qu'aucune photographie d'elle n'existe ni n'existera jamais. Remonter de la main jusqu'à l'étoile est un exercice de dépendance sans obligation. Le corps a besoin que la fusion ait eu lieu ; la fusion ne doit rien au corps. Ce que les premières étoiles ont fait en masse, c'est de l'hélium, du carbone et de l'oxygène. Quels éléments, exactement, une main requiert, et où chacun d'eux a été fabriqué, c'est la question que le chapitre suivant pose à la main elle-même.

Preuves : Établi : la fusion stellaire comme équilibre entre gravité et pression ; la chaîne proton-proton convertissant environ 0,7 % de la masse en énergie ; les quelque quatre millions de tonnes par seconde du Soleil ; la combustion de l'hélium en carbone et en oxygène, et les stades de combustion avancés s'achevant au fer ; la réionisation cosmique par les sources ultraviolettes précoces, en grande partie achevée vers un milliard d'années ; le gaz enrichi refroidissant et se fragmentant plus aisément que le gaz primordial. Débattu ou incertain : la distribution des masses des premières étoiles (de dizaines à centaines de masses solaires ; les simulations récentes favorisent la fragmentation) ; la survie éventuelle d'étoiles de première génération de faible masse ; l'époque exacte de formation (« entre cent et deux cents millions d'années ») ; le temps d'échappement des photons hors du cœur solaire (les estimations vont d'environ 10 000 à 170 000 ans). Aucune étoile de première génération n'a été observée directement et sans ambiguïté.

Les éléments d'un corps

Levez la main devant une lampe, paume vers vous, et regardez la fine membrane de peau entre le pouce et l'index. La lumière la traverse, faiblement rouge. Ce rouge, c'est du fer, porté par l'hémoglobine, dans un sang qui est surtout de l'eau, elle-même surtout de l'hydrogène si l'on compte les atomes et surtout de l'oxygène si l'on pèse. La peau elle-même est protéine et graisse : de longues chaînes bâties sur le carbone, articulées d'azote, salées de soufre et de phosphore. Rien dans la main n'est exotique ; chacun de ses éléments figure sur le tableau mural d'une salle de chimie ordinaire. L'étrange n'est pas dans les ingrédients mais dans leur provenance. Les atomes de votre main ne viennent ni d'un seul lieu ni d'un seul temps. Certains sont presque aussi vieux que l'univers. Certains ont été fabriqués dans des étoiles mortes avant que le Soleil n'existe. Quelques-uns ont probablement été forgés lorsque deux étoiles mortes sont entrées en collision. Votre main est l'inventaire d'événements très anciens, violents pour la plupart, dont aucun ne se souciait de vous.

Faisons l'inventaire en masse, en gros. L'oxygène représente environ les deux tiers d'un corps humain, le carbone un peu moins d'un cinquième, l'hydrogène à peu près un dixième, l'azote autour de trois pour cent. Une douzaine d'autres, calcium et phosphore en tête, composent l'essentiel du reste ; le fer, le zinc, l'iode et les oligo-éléments tiendraient dans une cuillère à café. En nombre d'atomes, l'ordre s'inverse : l'hydrogène est de loin le plus nombreux, parce qu'il est léger et parce que le corps est en grande partie de l'eau.

Ces deux listes ont des biographies différentes. Presque tout l'hydrogène a été fabriqué dans les premières minutes après le Big Bang, quand l'univers s'était assez refroidi pour que les protons existent et restait, brièvement, assez chaud pour en fusionner une partie en hélium et en une trace de lithium. Puis l'univers s'était trop dilaté pour produire quoi que ce soit de plus lourd. Pendant quelque chose comme cent millions d'années, selon les estimations actuelles, ce fut là tout le tableau périodique.

Le carbone a exigé des étoiles. Au cœur d'une étoile qui a brûlé la majeure partie de son hydrogène central, la température monte jusqu'à ce que les noyaux d'hélium puissent fusionner. Deux d'entre eux forment un noyau de béryllium si instable qu'il se désagrège en une fraction de femtoseconde ; l'astuce, c'est qu'un troisième noyau d'hélium arrive parfois avant, et le résultat est du carbone. Cette triple collision est si improbable qu'elle ne fonctionne que parce que le noyau de carbone possède, par hasard, un niveau d'énergie qui entre en résonance avec les morceaux entrants, une coïncidence que les physiciens ont prédite avant que quiconque ne la mesure. Ajoutez un noyau d'hélium au carbone et vous obtenez de l'oxygène. Les étoiles massives poursuivent l'échelle, néon, magnésium, silicium, jusqu'au fer, dont la fusion ne libère aucune énergie et qui arrête donc la fournaise. L'azote vient surtout par une autre voie, un cycle dans lequel le carbone sert de catalyseur à la fusion de l'hydrogène et laisse de l'azote derrière lui. Le calcium et le phosphore sont en grande partie des produits des étoiles massives et des explosions qui les achèvent.

Rien de plus lourd que le fer ne peut être construit par fusion avec bénéfice. Cela se construit par capture de neutrons, soit lentement, sur des milliers d'années, dans les couches externes d'étoiles vieillissantes, soit violemment, en quelques secondes, dans les supernovæ et lors de la fusion de deux étoiles à neutrons. En 2017, des astronomes ont observé la rémanence d'une telle fusion et lu dans son spectre la signature d'éléments lourds fraîchement produits. Une partie de l'iode de votre thyroïde, et l'or d'une bague, viennent plausiblement d'événements de ce genre.

Comment le savons-nous ? Surtout par la lumière. Chaque élément absorbe et émet la lumière à ses propres longueurs d'onde fixes, de sorte que le spectre d'une étoile est l'empreinte de sa composition, et les étoiles les plus anciennes contiennent moins d'éléments lourds que les plus jeunes, comme le prédirait une lente accumulation au fil des générations. Les laboratoires mesurent directement les réactions nucléaires. Les météorites conservent des grains minéraux plus vieux que le Système solaire dont les isotopes correspondent à des types d'étoiles particuliers.

Ce que cet inventaire change, c'est l'échelle de votre propre histoire. Avant les étoiles, une main était impossible, non parce que la vie était improbable mais parce qu'il n'y avait rien pour la fabriquer. Le talent du carbone pour former quatre liaisons, et pour s'assembler en chaînes et en anneaux stables mais pas trop, est ce qui rend possible toute chimie compliquée ; sans plusieurs générations d'étoiles pour le synthétiser et le disperser, il n'y aurait ni protéines, ni ADN, ni graisse sous la peau. Il fallait de l'oxygène pour l'eau, du phosphore pour la colonne vertébrale des gènes et pour la petite molécule qui transporte l'énergie dans chaque cellule, du fer pour le sang qui paraît rouge devant la lampe.

Il y a aussi un changement plus subtil. Les éléments n'ont pas simplement existé ; ils ont été distribués. Une étoile qui fabrique du carbone et le garde n'apporte rien à une planète future. Il a fallu que le carbone soit soufflé par des vents stellaires ou projeté par des explosions, mélangé à des nuages de gaz, puis rassemblé de nouveau dans une nouvelle étoile et son disque de débris. Le Soleil est au moins une étoile de deuxième génération, et probablement d'une génération ultérieure ; la Terre est bâtie de décombres passés plus d'une fois par la fournaise. Votre main n'est donc pas seulement faite de vieux atomes. Elle est faite d'atomes recyclés, et elle continue de les recycler. Au fil des années, la plupart de vos atomes sont échangés contre d'autres à mesure que des cellules meurent et que de la nourriture est mangée. Vous êtes un motif qui emprunte de la matière, non un bloc fixe de matière.

La tentation, ici, c'est le slogan. « Nous sommes poussière d'étoiles » est beau et à peu près exact à quatre-vingt-dix pour cent en masse, ce qui est un bon score pour un slogan, mais il cache deux choses. D'abord, l'hydrogène, votre atome le plus nombreux, n'est pas du tout de la poussière d'étoiles ; il précède toutes les étoiles. Ensuite, la formule glisse facilement vers une histoire dans laquelle le cosmos travaillait à nous produire, dans laquelle les étoiles étaient des usines avec un produit en tête. Rien dans les preuves ne soutient cela. Les processus qui ont fait votre carbone ont fait le carbone d'une falaise de calcaire, d'un diamant et d'une traînée de suie. L'univers ne visait pas.

Il y a aussi d'honnêtes lacunes. Les astronomes discutent encore de la part des éléments les plus lourds venue des fusions d'étoiles à neutrons et de celle venue de types rares de supernovæ, parce que le moment où ces éléments apparaissent dans les vieilles étoiles ne cadre pas avec les seules fusions. Et les chiffres du corps en masse sont des moyennes ; enfants, personnes âgées, personnes plus lourdes ou plus légères diffèrent en eau, en graisse et en os. L'index est utile. Ce n'est pas un reçu.

Dans l'atlas Human++, c'est le champ de particules qui remplit la silhouette : sélectionnez un atome dans la paume, suivez-le jusqu'à une étoile schématique, revenez. Le voyage n'est pas là pour flatter la main mais pour établir sa première dépendance. Avant tout outil, toute institution, toute machine, le corps reposait déjà sur une capacité qui vivait entièrement hors de lui, dans des fournaises qu'il ne verra jamais. Rien dans cette histoire n'a été choisi. Ce qui est nouveau, et qui est le reste de ce livre, c'est que le choix a commencé. D'abord, pourtant, une question de livraison : du carbone enfermé dans une étoile vivante ne sert à personne, alors comment les fournaises ont-elles rendu leurs produits ?

Preuves : Établi : la nucléosynthèse primordiale de l'hydrogène, de l'hélium et d'une trace de lithium ; le carbone par le processus triple alpha et la résonance du carbone prédite ; de l'oxygène jusqu'au fer dans les étoiles massives ; l'origine par capture de neutrons des éléments plus lourds que le fer ; les signatures spectroscopiques d'éléments lourds dans la rémanence de la fusion d'étoiles à neutrons de 2017 ; la composition approximative du corps en masse et en nombre d'atomes. Débattu ou incertain : la contribution relative des fusions d'étoiles à neutrons et des types rares de supernovæ aux éléments les plus lourds, et le problème de chronologie dans les vieilles étoiles ; les fractions précises par élément et par source pour le voisinage solaire ; l'âge exact auquel les premières étoiles se sont formées (donné ici comme « quelque chose comme cent millions d'années »).

Une mort qui distribue

À l'été 1054, les astronomes de la cour de la Chine des Song consignèrent une « étoile invitée » près d'une corne de la constellation que nous appelons le Taureau. Elle fut assez brillante pour être vue en plein jour pendant environ trois semaines et resta visible la nuit pendant près de deux ans avant de s'éteindre. Pointez aujourd'hui un modeste télescope sur le même endroit et vous trouvez une tache : un enchevêtrement de filaments en expansion à quelque six mille années-lumière, qui s'écartent encore à environ 1 500 kilomètres par seconde, avec en son centre une étoile à neutrons en rotation qui clignote trente fois par seconde. La nébuleuse du Crabe est ce qui reste d'une étoile. C'est aussi une livraison. Tout ce que cette étoile a fabriqué dans son dernier million d'années de combustion, et certaines choses qu'elle n'a faites que dans sa dernière seconde, est maintenant étalé sur une région large de plusieurs années-lumière et se dilue dans le gaz entre les étoiles. Donnez-lui quelques centaines de millions d'années et une partie sera dans une planète.

Les étoiles rendent de la matière à l'espace par plusieurs routes, et les éléments du corps les empruntent toutes.

La plus douce est le vent. Chaque étoile perd continûment un peu de ses couches externes, et les étoiles vieillissantes en perdent beaucoup. Une étoile comme le Soleil, une fois l'hydrogène de son cœur épuisé, enfle en géante rouge et, dans sa phase finale, pulse et souffle sa moitié externe en quelques dizaines de milliers d'années, laissant le cœur chaud à nu sous forme de naine blanche. La coquille expulsée luit un temps sous le nom, peu utile, que les astronomes lui donnent de nébuleuse planétaire. Elle emporte du carbone dragué depuis l'intérieur de l'étoile, de l'azote, et un saupoudrage d'éléments plus lourds bâtis lentement, un neutron à la fois, pendant la vieillesse de l'étoile. Une large part du carbone de l'univers a peut-être rejoint l'espace de cette façon, depuis des étoiles sans éclat qui s'en allaient sans bruit.

La route violente appartient aux étoiles de plus d'environ huit fois la masse du Soleil. Ayant brûlé jusqu'à un cœur de fer, elles n'ont plus rien à brûler, et dès que ce cœur dépasse environ 1,4 masse solaire il ne peut plus se soutenir. Il s'effondre en moins d'une seconde en une boule de neutrons d'une vingtaine de kilomètres de diamètre, ou plus loin encore, en trou noir. L'étoile extérieure, soudain privée de soutien, tombe vers l'intérieur, rencontre le cœur qui rebondit, et est projetée au-dehors par une onde de choc et un vaste flot de neutrinos. En 1987, des détecteurs sur Terre ont capté une vingtaine de neutrinos venus d'une supernova dans une galaxie voisine, des heures avant l'arrivée de sa lumière, et c'est ainsi que nous savons que le tableau est à peu près juste. Les couches éjectées emportent l'oxygène, le néon, le magnésium, le silicium, le soufre et le calcium fabriqués dans la combustion en pelure d'oignon de l'étoile, ainsi que le fer et le nickel cuits dans l'explosion elle-même.

Une troisième route n'a pas besoin d'étoile massive. Une naine blanche dans un couple serré peut gagner de la masse aux dépens d'une compagne, ou fusionner avec une autre naine blanche, et si elle bascule au-delà de la même limite elle détone entièrement, sans rien laisser derrière elle. Ces supernovæ thermonucléaires font du fer en quantité ; selon la plupart des estimations, plus de la moitié du fer de notre galaxie vient d'elles. La route la plus rare est la collision de deux étoiles à neutrons, que décrivait le chapitre précédent : la source d'une grande part de la matière la plus lourde.

Ce qui quitte une étoile ne va pas droit dans une planète. Cela laboure le gaz interstellaire, est brassé par d'autres explosions et par la lente rotation de la galaxie, et se mélange sur des centaines de millions d'années. Au moment où le nuage du Soleil s'est effondré, à quelque neuf milliards d'années du début de l'histoire, les éléments lourds représentaient entre un et deux pour cent de sa masse. Ce petit pourcentage, c'est la Terre.

La conséquence pour un corps, c'est qu'il est bâti du produit de morts. Son carbone, il le doit sans doute en grande part à la route douce, des géantes rouges qui se dépouillent de leur peau. Son oxygène, son calcium et une bonne part de son phosphore, aux explosions d'étoiles massives. Une bonne part de son fer, à des naines blanches qui détonent. Son iode, à des étoiles à neutrons qui se percutent. Aucune étoile seule n'a fait les ingrédients d'une personne ; il a fallu toute une galaxie, mourant en séquence sur des milliards d'années, et le brassage entre-temps.

C'est un héritage, mais c'est aussi un recyclage, et la distinction compte pour la thèse de ce livre. Rien dans un corps n'a été créé pour lui. La matière a servi avant, dans le cœur d'une étoile, comme carburant ou comme cendre, et après avoir quitté le corps elle servira encore. L'histoire cosmique n'est pas celle d'un matériau neuf qui apparaît, mais d'un vieux matériau transmis sous une forme altérée, par des processus qui ne savent pas qu'ils transmettent quoi que ce soit à qui que ce soit.

Il y a un rappel plus proche. Dans les croûtes de fer et de manganèse du fond des océans profonds, qui croissent de quelques millimètres par million d'années, des scientifiques ont trouvé une forme radioactive rare du fer que les processus naturels terrestres ne fabriquent pas. Elle est concentrée dans des couches déposées il y a entre deux et trois millions d'années environ, et de nouveau plus tôt. La meilleure explication est qu'une ou plusieurs supernovæ ont explosé à quelques centaines d'années-lumière du Soleil vers cette époque et ont saupoudré la planète de débris. Les premiers ancêtres de l'homme allaient et venaient pendant que cela retombait du ciel.

Le vocabulaire de la mort travaille beaucoup. Une étoile ne meurt en aucun sens qui compte pour une étoile ; elle épuise un carburant et change d'état. « Sacrifice » est pire encore. La romance des étoiles qui se donnent pour que nous puissions vivre est plaisante et exactement à l'envers : les éléments ont été dispersés parce que se disperser est ce que fait un gaz privé de soutien, et la plupart ne sont passés nulle part près d'une planète.

La mécanique est aussi moins établie que le récit. Pendant des décennies, les simulations informatiques de supernovæ à effondrement de cœur refusaient d'exploser : l'onde de choc calait, et les modèles avaient besoin que les neutrinos la raniment de façons difficiles à obtenir correctement. Les simulations tridimensionnelles modernes explosent en général, mais quelles étoiles explosent et lesquelles s'effondrent en silence en trous noirs, et quelle part de chaque élément s'échappe, restent des recherches actives. La route des naines blanches a sa propre querelle, sur la question de savoir si la plupart de ces explosions viennent d'une naine qui vole du gaz à une compagne ordinaire ou de deux naines qui fusionnent, ce qui change la vitesse à laquelle la galaxie a été salée de fer. Et la part des éléments les plus lourds venue des collisions d'étoiles à neutrons plutôt que de types rares de supernovæ est encore contestée. La distribution a eu lieu. La facture détaillée est en cours d'audit.

Dans l'atlas, ce chapitre se tient dans le champ de particules entre deux images, l'étoile des chapitres précédents et le disque du suivant. Sélectionnez le champ et chaque élément de la paume montre sa route hors d'une étoile : vent, souffle ou collision. La dépendance du corps, ici, est envers des événements assez violents pour déchirer des étoiles, et envers le long et patient brassage qui a suivi. Il n'y a jamais eu de plan pour que la matière atterrisse en un lieu particulier. Pourtant une partie d'elle, dérivant dans un nuage froid dans un bras d'une galaxie spirale, était sur le point d'être rassemblée une seconde fois, en un disque, avec une étoile nouvelle au centre.

Preuves : Établi : SN 1054, consignée dans les annales chinoises, et son reste, la nébuleuse du Crabe, avec un pulsar central ; la perte de masse par vents stellaires et nébuleuses planétaires emportant carbone, azote et éléments de capture lente de neutrons ; l'effondrement du cœur des étoiles massives au-delà d'environ 1,4 masse solaire de cœur de fer, l'émission de neutrinos confirmée par SN 1987A ; les supernovæ thermonucléaires de naines blanches comme source majeure de fer ; la fraction d'éléments lourds du Soleil, d'à peu près 1 à 2 % en masse ; du fer 60 vivant dans les croûtes des fonds marins, venu de supernovæ proches il y a quelques millions d'années. Débattu ou incertain : le mécanisme détaillé de l'explosion et quels progéniteurs explosent ; l'origine simple ou double dégénérée des supernovæ thermonucléaires ; la part précise de fer venue de chaque route (« plus de la moitié » est une estimation) ; la contribution relative des fusions d'étoiles à neutrons et des supernovæ rares aux éléments les plus lourds.

Un soleil, un disque, un monde

Une tranche d'un certain type de météorite, polie et tenue devant la lumière, ressemble à un cake aux fruits sombre : une matrice grise criblée de petits grains ronds et, çà et là, de taches blanches irrégulières de quelques millimètres. Ces taches blanches sont les plus vieux objets solides que quiconque ait datés. Riches en calcium et en aluminium, condensées à partir d'un gaz chaud, elles portent des horloges radioactives qui marquent 4 567 millions d'années, à moins d'un million près. Ce nombre est, par convention, la date de naissance du Système solaire. La météorite qui les porte a dérivé dans l'espace, pour l'essentiel inchangée, pendant tout ce temps, jusqu'à tomber dans un champ ou un désert où quelqu'un l'a ramassée. La Terre n'a rien d'aussi ancien à sa surface ; la planète fond, plie et redévore ses roches depuis trop longtemps. Pour lire le commencement de votre monde, il faut tenir un morceau de ce dont il a été fait avant d'être un monde.

Cela a commencé par un nuage en difficulté. Quelque part dans un bras spiral de la Voie lactée, un nuage froid et sombre de gaz et de poussière, enrichi par les morts du chapitre précédent, avait un cœur dense que la gravité ne pouvait plus être dissuadée de prendre. Peut-être une supernova voisine lui a-t-elle donné une poussée ; certains isotopes radioactifs à vie courte conservés dans les météorites suggèrent que des débris stellaires frais étaient présents, même si l'on débat de savoir s'ils ont déclenché l'effondrement. Le cœur est tombé vers l'intérieur. Mais un nuage n'est jamais parfaitement immobile, et la moindre rotation s'amplifie à mesure que la matière tombe, comme une patineuse tourne plus vite en ramenant les bras. La matière pouvait tomber librement le long de l'axe de rotation mais non en travers, si bien que le cœur en effondrement s'est aplati en un disque tournant avec une bosse croissante au centre. La bosse est devenue le Soleil. Le disque est devenu tout le reste.

Le disque était écrasamment gazeux, avec une pincée de poussière : environ une part sur cent. Près du jeune Soleil, il faisait assez chaud pour vaporiser la roche ; plus loin, au-delà d'une frontière que les astronomes appellent la ligne des glaces, l'eau gelait sur les grains et il y avait soudain plusieurs fois plus de matière solide pour travailler. C'est pourquoi le Système solaire est trié : de petits mondes rocheux près du centre, des géantes aux atmosphères profondes plus loin, de la glace au-delà. Les grains de poussière se sont heurtés et collés, grossissant en cailloux. Les cailloux se sont concentrés dans des tourbillons du gaz et se sont effondrés sous leur propre gravité en corps d'un kilomètre ou plus, bien que la façon exacte dont cette étape s'est produite soit l'une des querelles les plus vives du domaine. Ces corps se sont heurtés et fondus en embryons planétaires de la taille de la Lune ou de Mars. Le gaz lui-même n'a pas duré : en quelques millions d'années, le rayonnement et le vent du Soleil l'avaient soufflé, si bien que les planètes géantes, qui avaient besoin de gaz, ont dû grandir vite. Les planètes rocheuses étaient moins pressées. La Terre a été assemblée en quelques dizaines de millions d'années par des embryons qui se fracassaient les uns contre les autres, la dernière et la plus grande collision étant probablement celle qui a projeté les débris devenus la Lune.

Depuis 2014, des radiotélescopes perchés dans le désert chilien ont photographié d'autres disques autour d'autres jeunes étoiles, et ils montrent des anneaux brillants concentriques et des sillons sombres, très probablement creusés par des planètes qui s'y forment. Le tableau ci-dessus n'est pas seulement une reconstitution à partir de nos propres gravats. On le regarde se produire ailleurs.

Pour les atomes qui deviendraient un corps, le disque fut une machine à trier. La matière des chapitres précédents est arrivée en mélange presque uniforme ; le disque l'a séparée selon la température et la distance. Les choses volatiles, hydrogène, hélium, eau, composés du carbone, ont été chassées vers l'extérieur ou perdues ; les éléments qui forment les roches sont restés près du centre. La Terre a donc commencé plus sèche et plus pauvre en carbone que le nuage dont elle est issue, ce qui comptera quand viendra la question de l'eau. Le fer qui portera l'oxygène dans le sang a été rassemblé ici dans une planète sur le point de fondre et d'en faire couler l'essentiel vers le centre, n'en gardant qu'une fraction près de la surface.

Le disque a aussi fait de « solide » une condition historique plutôt que permanente. Une planète donne l'impression d'être le contraire d'un événement. Elle est en réalité l'état final d'une longue série d'événements : condensation, collage, collision, fusion, nouvelle collision. Le sol sous une personne est un débris qui a cessé de bouger, pour l'instant. La Lune dans le ciel nocturne est, selon le récit dominant, l'éclaboussure du dernier grand impact, ce qui explique pourquoi ses roches ressemblent chimiquement tant aux couches externes de la Terre. Les collisions n'ont pas seulement balafré les jeunes planètes. Elles les ont construites.

Les relevés d'exoplanètes apportent un correctif. Plus de cinq mille planètes ont désormais été trouvées autour d'autres étoiles, et la plupart des systèmes ne ressemblent pas au nôtre : des géantes sur des orbites serrées et brûlantes, des mondes de taille intermédiaire entre la Terre et Neptune sans équivalent local, des disques qui n'ont rien produit qui ressemble à une planète rocheuse à distance confortable de son étoile. Notre agencement est un résultat parmi beaucoup d'autres. Ce n'est pas le modèle.

Les disputes, ici, portent sur l'ordre des événements plutôt que sur leur réalité. Les planètes géantes ne se sont probablement pas formées là où elles se trouvent aujourd'hui ; les modèles où Jupiter a erré vers l'intérieur puis est revenu, ou dans lesquels les planètes extérieures se sont réarrangées des centaines de millions d'années plus tard, expliquent des traits de la ceinture d'astéroïdes et du système externe qu'un tableau statique n'explique pas, mais ces modèles se contredisent entre eux. L'impact qui a formé la Lune, bien qu'il soit l'explication dominante, a un problème tenace : les simulations tendent à bâtir la Lune surtout avec l'impacteur, or les isotopes de la Lune sont presque indiscernables de ceux de la Terre, ce qui a suscité des propositions de Terre en rotation plus rapide, de collision d'un autre type, ou de brassage plus complet ensuite. Le saut des cailloux aux corps kilométriques reste en partie théorique. Et l'intervalle entre les premiers solides et une Terre achevée se discute en dizaines de millions d'années. Rien de tout cela ne menace les grandes lignes. C'est l'état normal d'un domaine qui dispose de vraies données et de plus d'une manière de les lire.

Dans l'atlas, le champ de particules à l'intérieur de la silhouette se contracte ici en un seul disque schématique, le Soleil au centre et un petit point à la position de la troisième planète, avec le rappel habituel que rien n'est à l'échelle. La dépendance du corps, à ce stade, est envers un tri qu'il n'a pas choisi : être fait de la fraction interne, rocheuse et pauvre en eau d'un nuage, autour d'une étoile au tempérament modeste, dans un système qui s'est trouvé se poser plutôt que se disloquer. Ce que le tri a produit, c'est une boule chaude de gravats mêlés. Ce n'était pas encore un lieu. Le chapitre suivant la regarde en devenir un.

Preuves : Établi : les inclusions riches en calcium et en aluminium datées d'environ 4 567 millions d'années comme plus anciens solides du Système solaire ; l'effondrement d'un cœur de nuage en rotation en une étoile et un disque aplati ; un rapport poussière/gaz d'à peu près 1 pour 100 ; la ligne des glaces et le tri rocheux/géant/glacé ; des durées de vie du disque de gaz de quelques millions d'années ; l'assemblage de la Terre en quelques dizaines de millions d'années par collisions d'embryons ; les images ALMA de disques annelés depuis 2014 ; plus de 5 000 exoplanètes confirmées, aux architectures diverses. Débattu ou incertain : un déclenchement de l'effondrement du nuage par une supernova ; le mécanisme de formation des planétésimaux à partir des cailloux ; les scénarios de migration des planètes géantes ; les détails de l'impact qui a formé la Lune et le problème de la similarité isotopique ; la durée exacte de l'accrétion de la Terre.

La Terre sans repos

Le plus vieux morceau de Terre que vous pourriez tenir serait presque invisible dans votre paume. C'est un cristal de zircon de moins d'un demi-millimètre de long, dégagé par l'érosion d'une crête de grès en Australie-Occidentale, et son horloge à l'uranium marque un peu plus de 4,4 milliards d'années. La planète avait à peine cent soixante millions d'années quand il s'est formé. Tout ce qui entourait ce cristal a depuis été détruit : la roche dans laquelle il a cristallisé, le continent auquel cette roche appartenait, l'eau qui l'a peut-être léché. Le zircon a survécu parce que le zircon est presque indestructible, et il porte une surprise. Ses isotopes de l'oxygène suggèrent qu'il a grandi dans un magma qui avait été en contact avec de l'eau liquide en surface. Le tableau classique de la Terre primitive comme un enfer rougeoyant de lave et de roches en chute est peut-être en partie faux. Dans un délai géologiquement court après sa formation, la planète semble avoir eu une croûte, de l'eau dessus, et une surface déjà érodée et refaite. Elle ne s'est pas arrêtée depuis.

La Terre est sans repos parce qu'elle est chaude à l'intérieur et qu'elle ne peut pas aisément se défaire de cette chaleur. Une partie en est un reste de l'assemblage : l'énergie de toutes ces collisions, avant tout l'impact qui a fait la Lune, qui a probablement fondu l'essentiel de la planète. Une autre part est venue de l'enfoncement. Le fer fondu est plus dense que la roche fondue, et dans les premières dizaines de millions d'années, d'après les horloges radioactives des météorites et des roches terrestres, le fer s'est écoulé vers le centre, libérant en tombant une quantité d'énergie considérable. Cela a donné à la planète sa structure : un noyau de métal, aujourd'hui à peu près de la taille de Mars, un épais manteau rocheux, et une mince croûte. Le reste de la chaleur est produit en continu par la désintégration de l'uranium, du thorium et d'une forme radioactive du potassium dispersés dans la roche. En gros, la moitié de la chaleur qui fuit aujourd'hui par la surface est cet apport radioactif ; l'autre moitié est la chaleur originelle, toujours en train de s'échapper.

La roche conduit mal la chaleur, alors le manteau bouge à la place. Sur des millions d'années, la roche solide flue comme un mastic très raide, montant là où elle est chaude, s'étalant, refroidissant et redescendant. En surface, cela se manifeste par la tectonique des plaques : une coquille de plaques rigides écartées aux dorsales médio-océaniques, où se forme une croûte neuve, et ramenées dans le manteau aux fosses. Les continents, trop légers pour couler, chevauchent le tout et sont brassés, se fendant et se heurtant, dressant des montagnes que la pluie et la glace rabotent ensuite en sédiments. Le noyau externe, fer liquide agité par la même chaleur, engendre le champ magnétique. Les volcans évacuent des gaz qui étaient enfermés dans la roche : vapeur d'eau, dioxyde de carbone, azote, sans le moindre oxygène libre. Ce souffle dégazé, avec ce qui a été livré depuis l'espace, est devenu la première atmosphère et le premier océan.

L'un de ces cycles mérite une mention à part, parce qu'il a gardé la planète vivable. Le dioxyde de carbone des volcans réchauffe la surface. La pluie le dissout, et l'eau légèrement acide ronge lentement la roche, portant le carbone à la mer, où il est enfoui sous forme de carbonate. Plus la planète est chaude, plus l'altération est rapide, plus vite le carbone est retiré, plus elle refroidit. La tectonique des plaques ramène ensuite le carbonate en profondeur pour qu'il soit cuit et évacué de nouveau. Ce lent thermostat, agissant sur des centaines de milliers d'années, est la meilleure explication actuelle du fait que la Terre est restée tempérée alors que le jeune Soleil ne brillait qu'à environ soixante-dix pour cent de son éclat présent.

Pour un corps, la conséquence est que sa matière n'est pas seulement cosmique mais géologique, et toujours en prêt. Le calcium des os et le phosphore de chaque brin d'ADN étaient enfermés dans la roche. Ils n'atteignent une personne que parce que l'altération, les volcans et les racines les délogent, que les rivières les transportent et que la nourriture les concentre ; le corps est en aval des montagnes. Le phosphore, en particulier, n'a pas de forme gazeuse et parvient au monde vivant presque entièrement par la lente érosion de la roche, ce qui en fait un goulot d'étranglement pour la vie, sur terre comme en mer. Iode, fer, zinc, magnésium : tous extraits de la croûte par des processus que personne n'opère.

Cette agitation a aussi décidé du genre de surface disponible. Une planète qui cesserait de bouger userait avec le temps ses continents jusqu'à les aplanir et perdrait son thermostat ; le carbone s'accumulerait dans l'air, ou en serait tiré sans jamais y revenir. Vénus, presque la jumelle de la Terre par la taille, semble avoir un couvercle stagnant et une surface assez chaude pour faire fondre le plomb. Mars, plus petite et plus vite refroidie, est restée géologiquement calme pendant la plus grande partie de son histoire et a perdu l'essentiel de son air. Le brassage continu de la Terre est la raison pour laquelle il y a encore une scène, et encore un sol jeune, brisé et chimiquement assez varié pour réagir. Le corps dépend de la planète non seulement pour ce dont il est fait, mais pour que la planète continue de bouger.

Quand cette machinerie a démarré est l'une des questions les plus disputées des sciences de la Terre. Certains lisent dans les zircons anciens et la chimie des premiers continents la preuve d'une tectonique des plaques dès le premier demi-milliard d'années ; d'autres ne trouvent les signatures les plus claires qu'après environ trois milliards d'années avant nous et soupçonnent que la Terre primitive fonctionnait sous un autre régime, un couvercle épais et paresseux percé de panaches, la tectonique de style moderne n'arrivant que tard. Savoir si la tectonique est nécessaire à une planète habitable, plutôt que simplement utile sur celle-ci, est une question supplémentaire avec un échantillon de un. Le « grand bombardement tardif », un pic proposé de grands impacts vers 3,9 milliards d'années, naguère standard, est aujourd'hui mis en doute ; les échantillons lunaires datés qui le suggéraient viennent peut-être tous d'un seul bassin. Même le rôle du champ magnétique est débattu. Il dévie certainement le vent solaire, mais qu'il ait protégé l'atmosphère de l'arrachement est moins clair que les manuels ne le laissent entendre, puisque Vénus n'a pas de champ de ce genre et bien plus d'air. La planète est sans repos. La chorégraphie de son premier milliard d'années est une hypothèse de travail, tenue avec une confiance variable selon la personne à qui vous demandez.

Dans l'atlas, c'est le plancher de scène sous la figure : sélectionnez-le et il s'ouvre en globe écorché, avec le calcium, le phosphore et le fer du champ de particules tracés jusqu'à la croûte, au manteau et au noyau. La dépendance exposée est actuelle, et pas seulement ancestrale. Un corps est un bref arrangement de matière sur une planète qui se réarrange sans cesse, et l'arrangement ne se poursuit que parce que la planète continue de prêter. De toutes ses circulations, une a fait plus pour la chimie que toute autre, et elle est arrivée, ou a été conservée, contre toute attente. Le chapitre suivant la suit : l'eau, et ce qu'elle promet et ne promet pas.

Preuves : Établi : les zircons de Jack Hills datés d'environ 4,4 milliards d'années, avec des indices isotopiques de l'oxygène en faveur d'une eau de surface ; la formation précoce du noyau en quelques dizaines de millions d'années (chronologie Hf-W) ; à peu près la moitié du flux de chaleur de surface actuel venant de la désintégration radioactive ; la convection du manteau et la tectonique des plaques comme régime actuel ; la géodynamo du noyau externe ; le dégazage volcanique d'une atmosphère primitive sans oxygène ; la rétroaction carbonate-silicate et le jeune Soleil pâle (environ 70 % de l'éclat actuel) ; le phosphore fourni à la vie presque entièrement par l'altération des roches. Débattu ou incertain : la date du début de la tectonique des plaques (les estimations vont d'environ 4 à moins de 3 milliards d'années) et le régime qui l'a précédée ; la nécessité de la tectonique pour l'habitabilité ; la réalité d'un grand bombardement tardif ; la part de protection de l'atmosphère due au champ magnétique ; la part radiogénique exacte du flux de chaleur (« à peu près la moitié »).

L'eau et le possible

Après la pluie, sur un champ de roche volcanique noire, l'eau ne s'étale pas. Elle perle. Chaque goutte se ramasse en dôme, tient sa forme contre la gravité, tremble quand le vent la touche et ne se rompt pas. Inclinez la roche et la goutte roule, se gardant entière, et laisse la pierre plus sombre là où elle est passée, parce qu'un peu de la roche est entré en elle. Dans ce petit comportement tient l'essentiel de ce qui rend l'eau étrange. Ses molécules s'accrochent les unes aux autres et à presque tout le reste ; elles écartèlent les sels et les emportent ; il leur faut beaucoup de chaleur pour se réchauffer et elles la rendent lentement ; et, presque seule parmi les substances, l'eau est plus légère solide que liquide, si bien que la glace flotte et que les lacs gèlent par le haut. Une goutte sur du basalte est aussi une assez bonne image de la Terre primitive : une roche chaude et sombre, et de l'eau qui s'y fraie un chemin. La question est ce que l'eau y a rendu possible, et ce que, malgré les slogans, elle n'a pas promis.

Commençons par la molécule. Deux atomes d'hydrogène sont posés sur un oxygène, en angle, et l'oxygène accapare les électrons partagés, si bien que chaque molécule a un bout légèrement négatif et un bout légèrement positif. L'hydrogène positif d'une molécule est attiré par l'oxygène négatif de la suivante : une liaison hydrogène, faible et éphémère, qui se rompt et se reforme des milliers de milliards de fois par seconde. Ce réseau mouvant explique pourquoi l'eau est liquide à des températures où des molécules de sa taille devraient être un gaz, pourquoi elle absorbe si volontiers la chaleur, pourquoi elle dissout si bien les substances chargées et polaires, et pourquoi le réseau ouvert de la glace est moins dense que le liquide bousculé. Pour la chimie, la propriété clé est la première : l'eau permet aux choses de se rencontrer. Dissoutes en elle, les molécules bougent, se heurtent et réagissent comme elles ne le peuvent pas, enfermées dans la roche ou éparpillées dans l'air.

D'où vient l'eau de la Terre est moins établi. Le disque, près du jeune Soleil, était trop chaud pour la glace, si bien que les planètes internes auraient dû se former sèches. Une source est le système externe : des astéroïdes riches en eau et peut-être des comètes, projetés vers l'intérieur quand les planètes géantes se sont déplacées. L'empreinte est le rapport entre hydrogène lourd et hydrogène ordinaire, qui dans les océans terrestres correspond bien à une classe de météorites porteuses d'eau et mal à la plupart des comètes mesurées. Une autre est que le matériau rocheux de construction contenait lui-même, dans ses minéraux, plus d'hydrogène qu'on ne le pensait, et que la planète a cuit de son propre fond une bonne part de son océan. La lecture actuelle est un peu des deux, l'équilibre restant discuté.

Quelle qu'en soit la source, l'eau était là tôt. Les zircons anciens laissent deviner de l'eau en surface avant 4,3 milliards d'années ; vers 3,8 milliards d'années, il y a des laves en coussins, qui ne se forment que lorsque la lave jaillit sous l'eau, et des sédiments qui se sont déposés à travers elle. Et elle est restée. C'est là le remarquable. Vénus, presque de la taille de la Terre et à peine plus proche du Soleil, semble avoir perdu l'équivalent d'un océan dans un effet de serre emballé qui l'a fait bouillir dans l'air, où la lumière solaire l'a scindée et d'où l'hydrogène s'est échappé dans l'espace ; le rapport d'hydrogène lourd dans ce qui lui reste d'atmosphère, environ cent fois celui de la Terre, est l'empreinte de cette perte. Mars, plus petite et plus lointaine, a eu des rivières, des lacs et peut-être une mer, et des rovers ont roulé sur leurs lits asséchés ; elle a perdu l'essentiel de son atmosphère, et l'eau de surface avec. La Terre a gardé son eau par une combinaison de distance, de taille, du thermostat à carbone du chapitre précédent, et probablement de chance.

L'eau a changé ce que la matière rassemblée pouvait faire. Sur une planète sèche, les éléments des chapitres précédents resteraient à l'état de minéraux, réagissant au rythme lent des solides. Dans l'eau, ils circulent : dissous, concentrés par l'évaporation, scindés et recombinés par la chaleur, la lumière du soleil et les gradients électriques à la surface des minéraux. L'eau porte les produits de l'altération vers la mer et les produits de la mer vers la roche. Elle modère la température, si bien qu'un rivage reste dans une plage où les molécules complexes ne gèlent pas en bloc ni ne se défont. Et elle offre un milieu dans lequel quelque chose pourrait un jour avoir un dedans et un dehors, une frontière avec une chimie différente de chaque côté, ce que la partie suivante du livre traite comme la première chose dont la vie a eu besoin.

Un corps s'en souvient. Un adulte est à peu près soixante pour cent d'eau en masse, davantage enfant, et chaque réaction de chaque cellule s'y déroule. L'hydrogène de cette eau est primordial, des premières minutes ; l'oxygène vient des étoiles ; les molécules elles-mêmes ont été assemblées quelque part dans le disque externe froid ou dans le manteau primitif et circulent à travers océans, air, roche et êtres vivants depuis quatre milliards d'années. Une personne est, entre autres choses, une mare provisoire.

La zone habitable, la bande de distances à une étoile où la surface d'une planète peut retenir de l'eau liquide, est devenue le premier filtre standard pour les mondes qui méritent un second regard. Des milliers de planètes ont maintenant été trouvées, et des dizaines se tiennent dans cette bande ou près d'elle. Le filtre est sensé. C'est aussi une affirmation sur l'eau, non sur la vie.

Cette distinction est l'avertissement du chapitre. « Suivez l'eau » a guidé la recherche de vie au-delà de la Terre pour de bonnes raisons, mais l'eau est une permission, non une promesse. Mars a été habitable, selon le critère de l'eau, pendant des centaines de millions d'années, et aucune vie n'y a été trouvée. Des lunes de Jupiter et de Saturne abritent des océans sous leur glace ; que quelque chose y vive est inconnu. Sur Terre, le seul cas où l'eau et la vie coïncident, nous ne pouvons pas encore dire si la vie est apparue vite parce que l'eau rend la chose facile ou parce qu'un coup improbable s'est trouvé réussir. Un échantillon de un ne fonde aucune statistique.

L'eau est aussi, chimiquement, un problème autant qu'une solution. Les longues chaînes dont dépend la vie, protéines et acides nucléiques, sont jointes par des liaisons que l'eau défait lentement. Les bâtir dans un monde humide, c'est travailler contre le solvant, et c'est une des raisons pour lesquelles certains chercheurs sur l'origine de la vie préfèrent à l'océan ouvert des milieux qui s'assèchent et se remouillent, comme les mares autour des sources chaudes. Que d'autres liquides puissent servir ailleurs, l'ammoniac, disons, ou les lacs de méthane de Titan, lune de Saturne, est une question ouverte et jusqu'ici purement théorique. La goutte sur la roche est nécessaire à tout ce qui suit dans ce livre. Elle n'est pas suffisante, et rien en elle ne garantit le chapitre suivant.

Dans l'atlas, ce chapitre éclaire en bleu le champ de particules à l'intérieur de la silhouette : l'eau du corps tracée jusqu'à un disque froid, une jeune planète bombardée, et un océan qui a été gardé pendant qu'un monde voisin perdait le sien. C'est une dépendance envers un accident planétaire qui a tenu jusqu'ici pendant quatre milliards d'années, et le propre budget d'eau du corps, quelques jours de réserve à tout moment, rappelle que la tenue se poursuit au jour le jour. Avec la roche, la chaleur, l'atmosphère et l'eau en place, la scène de cette partie est presque complète. Le dernier chapitre se tient sur son rivage et fait le compte de ce qui, exactement, était là et de ce qui ne l'était pas.

Preuves : Établi : la polarité de l'eau, la liaison hydrogène et les propriétés qui en découlent (pouvoir solvant, capacité calorifique, glace moins dense que le liquide) ; le rapport deutérium/hydrogène des océans terrestres, plus proche des chondrites carbonées que de la plupart des comètes ; des indices d'eau de surface vers 3,8 milliards d'années et des indications avant 4,3 ; le rapport D/H élevé de Vénus comme signature d'une perte d'eau ; d'anciennes rivières et d'anciens lacs sur Mars ; l'eau du corps adulte autour de 60 % en masse ; le concept de zone habitable et des milliers d'exoplanètes confirmées ; l'hydrolyse comme obstacle à la formation prébiotique de polymères. Débattu ou incertain : la part d'eau livrée et d'eau héritée sur Terre ; la question de savoir si les indices des zircons les plus anciens attestent des océans ; la quantité d'eau que Vénus a eue et la date de sa perte ; les cycles humide-sec des sources chaudes ou les évents des grands fonds comme berceau ; la possibilité que des liquides autres que l'eau soutiennent la vie quelque part.

Une planète prête à demander

Imaginez-vous debout sur un rivage il y a quatre milliards d'années environ, avec un appareil respiratoire, parce que l'air vous tuerait. Le Soleil est plus pâle, et le ciel, sans couche d'ozone, laisse passer un ultraviolet qui brûlerait la peau en quelques minutes. La Lune est plus proche et plus grande, et les marées qu'elle soulève sont plus grandes en proportion, déferlant et se retirant sur la roche noire au fil de journées qui, selon la plupart des modèles, sont bien plus courtes que nos vingt-quatre heures. Derrière vous, une île volcanique fume. À vos pieds, une mare laissée par la dernière marée, tiède, légèrement acide, bordée de croûtes minérales là où des mares antérieures ont séché. Rien n'y vit. Rien ne vit nulle part. Mais un chimiste muni d'un nécessaire de prélèvement trouverait la mare affairée : des sels et des métaux dissous, des gaz qui montent en bulles d'en dessous, et une mince pellicule de composés du carbone, certains arrivés de l'espace et d'autres fabriqués ici. Tout ce que cette partie du livre a assemblé est présent. La question est ce que, le cas échéant, cela donne au total.

Faisons le compte en trois colonnes.

L'énergie d'abord. La lumière du soleil tombe sur la mare, moins qu'aujourd'hui mais largement assez. La chaleur monte d'en bas : l'intérieur de la jeune planète, qui se défait encore de la chaleur de son assemblage, alimente des sources chaudes sur terre et des évents au fond des mers. La foudre craque à travers une atmosphère épaisse, riche en dioxyde de carbone. Les impacts, encore fréquents, apportent des bouffées de chaleur et de choc. Et en certains lieux il existe un apport plus subtil : là où l'eau de mer s'infiltre dans la roche volcanique fraîche et réagit avec elle, de l'hydrogène gazeux est libéré, et l'hydrogène rencontrant le dioxyde de carbone est une réserve d'énergie chimique qui attend un chemin le long duquel se dépenser. L'énergie n'est pas rare. Ce qui est rare, c'est un moyen de s'en servir.

La chimie ensuite. En 1953, un étudiant de troisième cycle scella de l'eau et un mélange de gaz simples dans un appareil en verre, y fit passer des étincelles électriques pendant une semaine, et trouva des acides aminés, les composants des protéines, dans le résidu brun. Les gaz qu'il avait choisis ne sont probablement pas ceux de l'atmosphère primitive, mais la leçon a survécu à toutes les révisions : les petites molécules de la vie se forment volontiers à partir d'ingrédients simples pour peu qu'on fournisse de l'énergie. Les météorites le confirment depuis l'autre bout. Une pierre tombée en Australie en 1969 contient des dizaines d'acides aminés et, comme l'ont montré des analyses ultérieures, les cinq bases qui épellent l'information génétique, fabriquées dans l'espace sans l'aide de rien de vivant. Les briques étaient bon marché. Elles tombaient du ciel.

Les milieux enfin, et ici la mare compte en tant que type. La chimie a besoin de plus que d'ingrédients et d'énergie. Il lui faut de la concentration, pour que les molécules se rencontrent souvent ; des cycles, pour que ce qui est bâti dans une condition puisse être éprouvé dans une autre ; et des surfaces, puisque les faces minérales peuvent tenir les molécules dans des positions utiles. Une mare de marée ou de source chaude offre les trois. Elle se remplit, se concentre en s'évaporant, sèche en une pellicule où de petites molécules peuvent se joindre en chaînes, et se remouille. Bien plus bas, un évent dans le noir offre un autre jeu : une chaleur constante, des gradients abrupts entre le fluide et l'eau de mer, des parois minérales poreuses criblées de compartiments. Deux traditions de recherche se sont développées autour de ces deux cadres, et le débat entre elles est l'un des plus productifs du domaine.

Entre les briques et la première chose qu'on pourrait appeler vivante, cependant, s'ouvre un fossé qu'aucune expérience n'a encore comblé. La mare contient des pièces. Elle ne contient pas de système qui s'entretienne, se copie et change.

Ce qui avait changé, sur ce rivage, c'était la disponibilité de la planète, non ses intentions. Chaque chapitre de cette partie a ajouté une condition nécessaire. Un univers doté d'une histoire. L'hydrogène des premières minutes. Les concentrations de la gravité. La fusion et sa cendre. Des morts qui ont dispersé la cendre. Un disque qui l'a triée. Une planète qui a continué de bouger. Une eau qui est restée. Aucune de ces étapes n'a été franchie en vue de produire la suivante, et plusieurs ont failli ne pas avoir lieu. Le résultat, vers 4,3 ou 4,4 milliards d'années, fut une surface sur laquelle une chimie complexe était possible : de la roche, de la chaleur, de l'eau, une atmosphère riche en carbone, un flux constant d'énergie du chaud vers le froid.

Et puis, étonnamment vite, il y eut des choses qui y vivaient. Les preuves les plus solides sont en Australie-Occidentale : des monticules de sédiments feuilletés vieux d'environ 3,4 milliards d'années, avec les formes et les textures que produisent aujourd'hui les tapis microbiens, et des microfossiles dans des roches d'âge comparable. Des traces chimiques au Groenland repoussent la date vers 3,7 ou 3,8 milliards d'années, avec moins de certitude. Prises ensemble, elles disent que la vie était présente quelques centaines de millions d'années après que la planète fut devenue habitable. Sur le calendrier cosmique du premier chapitre, cela fait quelques jours. Que cette rapidité signifie que la vie est facile, ou que la Terre a eu de la chance tôt, une seule planète ne permet pas d'en décider. Ce qu'on peut dire, c'est que les ingrédients ne sont pas restés longtemps inemployés.

L'honnêteté sur les dates est requise, et l'honnêteté sur le fossé aussi. Les affirmations d'une vie plus ancienne que 3,8 milliards d'années reposent sur des signatures isotopiques ou des formes microscopiques que des processus non vivants peuvent aussi produire, et chacune a été contestée ; une trace de carbone signalée dans un zircon de 4,1 milliards d'années est intrigante et loin d'être acceptée. Les monticules de 3,4 milliards d'années sont largement admis. Entre ces bornes, la date de départ de la vie sur Terre est incertaine à plusieurs centaines de millions d'années près.

Le fossé le plus large est conceptuel. Aucun laboratoire n'a transformé une mare de briques en un système chimique qui s'entretienne et se copie lui-même, et les propositions sur la façon dont cela s'est produit sur Terre, aux évents ou dans des mares, gènes d'abord ou métabolisme d'abord, restent des hypothèses au soutien expérimental partiel. Déplacer l'origine hors de la planète, comme certains le suggèrent, n'aide pas ; cela change l'adresse de la question. Et la disponibilité ne veut pas dire fatalité. Le titre de ce chapitre est délibérément modeste. La planète était prête au sens où une cuisine garnie d'ingrédients est prête, c'est-à-dire prête à ne rien produire du tout à moins que quelque chose n'arrive. Ce quelque chose est inconnu. Ce n'est pas un échec du récit. C'est l'endroit où le récit devient un récit d'une autre sorte.

L'atlas clôt cette partie en maintenant le champ de particules à l'intérieur de la silhouette à pleine luminosité, chaque élément de la main tracé jusqu'à son origine, puis en le tamisant, parce qu'à partir d'ici le corps n'est plus expliqué par ses ingrédients. La main a été rendue compte comme matière et pas du tout comme main. Toute sa dépendance jusqu'ici a été envers des choses qui n'auraient pas pu choisir autrement : étoiles, nuages, impacts, marées. La partie suivante déplace le point de mire de l'atlas du champ de particules vers une petite fenêtre agrandie dans le torse, une seule cellule, et pose la question à laquelle la mare ne pouvait pas répondre : comment la matière peut-elle s'entretenir, se reproduire et se changer elle-même ?

Preuves : Établi : une atmosphère primitive sans oxygène, riche en dioxyde de carbone et sans couche d'ozone ; une Lune plus proche, des marées plus grandes et des jours plus courts à l'Archéen précoce (grandeurs dépendant des modèles) ; la libération d'hydrogène par les réactions entre eau de mer et roche ; la synthèse d'acides aminés par décharge électrique de 1953 ; des acides aminés et les cinq nucléobases dans la météorite de Murchison ; des stromatolites et des microfossiles d'environ 3,4 à 3,5 milliards d'années ; une surface habitable vers 4,3 à 4,4 milliards d'années. Débattu ou incertain : la composition exacte de l'atmosphère primitive ; les indices de vie plus anciens qu'environ 3,8 milliards d'années (isotopes du Groenland, carbone d'un zircon de 4,1 milliards d'années, microfossiles présumés d'évents) ; mares de sources chaudes contre évents alcalins, gènes d'abord contre métabolisme d'abord ; la question de savoir si une origine rapide implique que la vie est courante. Aucun laboratoire n'a encore produit, à partir d'ingrédients prébiotiques, un système chimique qui s'entretienne et se réplique.