Partant du principe que les éléments tels que nous les connaissons aujourd’hui sont produits de la fusion stellaire, pouvons-nous évaluer la quantité d’éléments qui sont nécessaires pour aboutir à un produit de la vie courante, prenons une console de jeux vidéo, et mettre ceci à l’échelle de l’univers, des étapes et du temps nécessaire pour produire ces éléments.
J’ai posé cette question à un LLM, voici sa réponse.
Essayons de retracer, étape par étape, le voyage cosmique qui mène à une console de jeux.
Ce qu’il y a dans une console de jeux
Une console moderne contient schématiquement :
- Plastiques et boîtier : carbone, hydrogène, oxygène, azote, chlore (ABS, PVC)
- Circuits imprimés : cuivre, étain, plomb (traces), silicium, or, argent
- Puce (APU AMD, SoC) : silicium ultra-pur, dopé au bore, phosphore, arsenic ; interconnexions en cuivre et tungstène
- Mémoire GDDR6 et SSD : silicium, germanium, hafnium, indium
- Condensateurs : tantale, aluminium, titane (diélectriques en oxyde de titane ou baryum)
- Aimants (ventilateurs, haut-parleurs, moteurs du lecteur) : néodyme, fer, bore, parfois dysprosium et praséodyme (terres rares)
- Soudures : étain, argent, cuivre, bismuth
- Batterie de la manette (lithium-ion) : lithium, cobalt, nickel, manganèse, graphite
- Écran LED des voyants : gallium, indium, arsenic, phosphore
- Câbles et connecteurs dorés : or (fin placage), nickel
Au total, on estime qu’une console mobilise une cinquantaine d’éléments chimiques différents, soit environ deux tiers du tableau périodique stable.
Origine cosmique de chaque famille d’éléments
Voici où les choses deviennent vertigineuses. Chaque élément a une « biographie nucléaire » distincte.
Hydrogène (plastiques, eau résiduelle) : formé lors de la nucléosynthèse primordiale, environ 3 minutes après le Big Bang, il y a ~13,8 milliards d’années. C’est littéralement la matière la plus ancienne de l’univers.
Hélium : aussi primordial, mais très peu présent dans la console (traces dans certaines soudures à l’hélium liquide utilisées en fabrication, pas dans le produit final).
Carbone, azote, oxygène (plastiques, polymères, oxydes) : produits par la fusion stellaire dans les étoiles massives via le cycle CNO et le processus triple-alpha, puis dispersés par les vents stellaires et les supernovae. Âge typique des atomes : plusieurs milliards d’années, issus de plusieurs générations stellaires successives.
Silicium, phosphore, soufre, aluminium (le cœur de la puce) : synthétisés par combustion de l’oxygène et du silicium dans les étoiles massives (> 8 masses solaires) dans les dernières semaines de leur vie, puis éjectés par supernovae de type II.
Fer, nickel, cobalt (aimants, soudures, batterie) : produits au pic de stabilité nucléaire, au cœur des étoiles massives juste avant qu’elles n’explosent. Le fer marque la fin de la fusion exothermique — au-delà, l’étoile s’effondre. Tous les atomes de fer de la console viennent d’une supernova.
Cuivre, argent, or, étain : produits principalement par le processus s (capture lente de neutrons) dans les étoiles AGB (géantes rouges en fin de vie), et par le processus r (capture rapide) lors d’événements violents. L’or en particulier est aujourd’hui attribué majoritairement aux fusions d’étoiles à neutrons (kilonovae) — un événement observé directement pour la première fois en 2017 (GW170817).
Néodyme, dysprosium, praséodyme (aimants des ventilateurs, haut-parleurs) : terres rares, principalement issues du processus r dans les kilonovae, avec une contribution du processus s.
Gallium, germanium, indium, hafnium, tantale : mélange de processus s et r, étoiles AGB et supernovae.
Lithium (batterie de la manette) : cas particulier et fascinant — une petite partie est primordiale (Big Bang), mais l’essentiel provient de la spallation des rayons cosmiques frappant des atomes plus lourds dans le milieu interstellaire, ainsi que de certaines novae.
Plomb (traces dans soudures anciennes) : produit final de chaînes de désintégration radioactive d’éléments plus lourds formés par processus r.
Ordres de grandeur des quantités
Pour fabriquer ~4,5 kg de console, il faut environ 10²⁶ atomes au total. Répartis grossièrement :
- Carbone/hydrogène (plastiques) : ~3 kg, soit ~10²⁶ atomes
- Métaux structurels (fer, aluminium, cuivre) : ~1 kg, ~10²⁵ atomes
- Silicium de la puce : quelques grammes, ~10²³ atomes, mais d’une pureté de 99,9999999 % (9N)
- Or : quelques milligrammes, ~10¹⁹ atomes
- Terres rares : quelques grammes cumulés, ~10²²-10²³ atomes
Mise à l’échelle cosmique
C’est ici que le vertige commence vraiment.
Une seule supernova de type II éjecte typiquement ~0,1 masse solaire de « métaux » (au sens astrophysique : tout sauf H et He), soit ~2 × 10²⁹ kg. Dans l’absolu, une seule supernova contient assez de matière lourde pour fabriquer environ 10²⁹ consoles de jeu. Mais cette matière est diluée dans un volume immense de milieu interstellaire.
Une kilonova (fusion d’étoiles à neutrons) éjecte ~0,01-0,05 masse solaire d’éléments lourds du processus r, dont environ 10 masses terrestres d’or en un seul événement. Pour les quelques milligrammes d’or de votre console, il a donc fallu une fraction infinitésimale d’une kilonova — mais il fallait qu’elle ait eu lieu, quelque part dans notre galaxie, avant la formation du Soleil.
Chronologie complète pour une PlayStation :
- t = 0 : Big Bang. Les atomes d’hydrogène des plastiques apparaissent.
- t = 100-500 millions d’années : premières étoiles (Population III), produisant les premiers éléments lourds.
- t = 1-9 milliards d’années : plusieurs générations d’étoiles massives vivent et meurent dans la Voie lactée en formation. Le silicium, le fer, l’aluminium s’accumulent dans le milieu interstellaire.
- t ≈ 8-9 milliards d’années : au moins une kilonova enrichit le nuage pré-solaire en or, néodyme, dysprosium.
- t ≈ 9,2 milliards d’années (il y a ~4,6 milliards d’années) : effondrement du nuage moléculaire local, formation du Soleil et de la Terre. Tous les éléments de la future console sont maintenant rassemblés.
- t ≈ 13,8 milliards d’années (2020) : sortie de la console de jeux.
Le délai entre la formation des atomes et leur assemblage en console varie donc de 13,8 milliards d’années (hydrogène primordial) à environ 9 milliards d’années (les plus « jeunes » éléments lourds ajoutés juste avant la formation du système solaire).
Le nombre d’étoiles impliquées
Estimation vertigineuse : les atomes d’une PlayStation proviennent probablement des résidus de plusieurs milliers à plusieurs millions d’étoiles distinctes, réparties sur plusieurs générations stellaires et mélangées dans le milieu interstellaire pendant des milliards d’années. Chaque microgramme de terre rare contient des atomes produits dans des événements cosmiques différents, à des époques différentes, peut-être dans des galaxies qui ont depuis fusionné avec la Voie lactée.
Un cadrage final
Si l’on compressait l’histoire de l’univers en une année civile (le « calendrier cosmique » de Sagan), avec le Big Bang au 1ᵉʳ janvier et aujourd’hui au 31 décembre à minuit :
- Les atomes d’hydrogène de la console datent du 1ᵉʳ janvier
- Le fer et le silicium se sont formés entre février et septembre
- L’or et les terres rares : entre mai et septembre
- Le système solaire se forme vers le 9 septembre
- La console de jeux sort à 23h59m59s du 31 décembre
Autrement dit : l’univers a passé presque toute son existence à préparer les ingrédients, et la phase d’assemblage humain occupe la dernière seconde.
Il y a quelque chose de proprement poétique dans le fait qu’une manette contient des atomes de néodyme forgés dans la collision de deux étoiles à neutrons à l’autre bout de la galaxie, il y a des milliards d’années, avant que la Terre n’existe. Chaque appui sur un bouton met en mouvement des électrons dans des atomes qui ont littéralement traversé l’âge de l’univers pour arriver là.