HOYLE (F.)


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Fred HOYLE (1915- )

C’est avant tout pour ses contributions au développement de la cosmologie moderne – en particulier, le modèle de l’état stationnaire et la théorie de la nucléosynthèse – que Fred Hoyle s’est rendu célèbre. Il a également effectué de nombreux travaux sur les étoiles supermassives, la structure des étoiles, la théorie de l’accrétion, le décalage vers le rouge des quasars. Depuis 1939, Fred Hoyle est membre du St. John’s College de l’université de Cambridge, où il fut professeur «Plumian» d’astronomie et de philosophie expérimentale de 1958 à 1972; titulaire de la chaire Sherman Fairchild du California Institute of Technology en 1974, professeur en résidence au titre de la bourse Andrew D. White à l’université Cornell (Ithaca, N.Y.) de 1972 à 1979, il a occupé jusqu’à sa retraite une chaire à 1’université de Cardiff. Il assura la présidence de la Royal Astronomical Society en 1973. Par ailleurs, il a écrit de nombreux ouvrages scientifiques et des livres de vulgarisation renommés. Fred Hoyle est le fondateur de l’Institute of Theoretical Astronomy de Cambridge (1967). De nombreuses distinctions lui ont été décernées, dont la médaille d’or de la Royal Astronomical Society (1968), le prix Kalinga (1968), la médaille royale de la Royal Society (1974). Membre de la Royal Society, il reçut le titre d’écuyer (Knight) en 1972.

Né le 24 juin 1915 à Bingley, dans le Yorkshire, Fred (Frederick) Hoyle étudie les mathématiques et la physique théorique à Cambridge de 1933 à 1939. Lorsque les hostilités éclatent, il s’engage dans la Royal Navy pour travailler au développement du radar au centre de recherche ultrasecret de Witley. Il y rencontre deux physiciens d’origine autrichienne, Hermann Bondi et Thomas Gold. Tous trois passionnés de cosmologie, ils considèrent avec scepticisme le modèle standard de l’Univers, alors – et encore aujourd’hui – généralement accepté, celui du big bang. Ce modèle, élaboré, entre autres, par Alexandre Friedman et Georges Lemaître, est fondé sur la théorie de la relativité générale; il postule que la relation entre la distance et la vitesse de récession des galaxies, établie grâce aux observations d’Edwin P. Hubble, indique que l’Univers est en expansion constante, et qu’il a eu un commencement. Pour Bondi, Gold et Hoyle, cette idée de commencement est, d’un point de vue philosophique, inacceptable. À l’époque, le modèle standard achoppait à une difficulté sérieuse: d’après les estimations de Hubble, l’âge de l’Univers devait être d’environ deux milliards d’années; or, les données géologiques conduisaient à un âge de la Terre d’au moins quatre milliards d’années. En 1952, Walter Baade devait relever une erreur dans l’estimation de Hubble, et il aboutissait, pour l’âge de l’Univers, à quatre milliards d’années. De nos jours, l’âge estimé de l’Univers, entre dix et vingt milliards d’années, élimine totalement la difficulté, mais cette question était alors cruciale et les discussions de Bondi, Gold et Hoyle à Witley allaient les amener à formuler, quelques années plus tard, leur propre théorie cosmologique: le modèle de l’état stationnaire.

Pendant la guerre, et dans les quelques années qui suivent la fin des hostilités, Hoyle publie plusieurs études sur la théorie de l’accrétion et sur la théorie de la structure stellaire, en particulier pour les étoiles géantes et les naines blanches. Ses travaux sur l’accrétion, réalisés en collaboration avec Raymond A. Lyttleton et Bondi, sont devenus des classiques. Leur importance s’impose bien davantage de nos jours, car l’étude des processus d’accrétion sous-tend maintenant de vastes domaines de l’astronomie (étoiles variables cataclysmiques, étoiles binaires rayonnant en X, quasars, radiogalaxies...).

La guerre terminée, les trois hommes retournent à Cambridge, où Hoyle obtient une chaire de mathématiques. En 1948, ils exposent leur théorie dans deux articles, l’un de Bondi et Gold, l’autre de Hoyle. Dans son article, Hoyle propose une explication de la création de la matière qui conduit à un Univers dont la structure de l’espace-temps est du type avancé par Willem de Sitter. Bondi et Gold, quant à eux, posent ce qu’ils nomment le principe cosmologique parfait, selon lequel notre position dans l’Univers est typique, non seulement dans l’espace comme l’affirme le modèle standard, mais aussi dans le temps: un astronome situé dans une galaxie éloignée observerait les mêmes propriétés générales de l’Univers que nous, qu’il ait vécu un milliard d’années plus tôt, ou qu’il l’observe dans un milliard d’années. Cela implique que l’Univers est stationnaire: ses propriétés demeurent inchangées dans le temps. En particulier, le nombre de galaxies dans une immense sphère (d’un rayon de cent millions d’années-lumière ou plus) resterait constant. Cependant, à cause de l’expansion de l’Univers, des galaxies quittent en permanence la sphère. Afin de maintenir l’accord entre l’expansion observée et le principe cosmologique parfait, Bondi et Gold supposent que de la matière est créée à tout instant ex nihilo, matière dont naissent de nouvelles galaxies. Ils rejettent ainsi courageusement une loi physique fondamentale, celle de la conservation de la masse. Hoyle souligne cependant que ce postulat ne changerait guère la physique conventionnelle, puisque ce phénomène est bien en deçà de toute vérification expérimentale: les calculs conduisent à un taux de création d’un atome d’hydrogène par décimètre cube et par milliard d’années. Cette nouvelle théorie n’a donc aucune répercussion sur les observations physiques. En revanche, ses implications philosophiques et cosmologiques sont considérables.

Pour le philosophe, la théorie de l’état stationnaire offre une alternative au problème d’un commencement de l’Univers posé par le modèle standard. L’acte de création unique est remplacé par un Univers qui se crée continuellement lui-même; on rejoint en cela Spinoza: natura naturans («la nature se procréant»), ou Bergson avec l’évolution créatrice. Pour le cosmologiste, cette hypothèse offre une économie de moyens: il peut déduire des conclusions majeures d’un nombre minimal de postulats. En fait, l’expansion même de l’Univers est, dans le modèle de l’état stationnaire, une conséquence purement logique du principe cosmologique parfait et de l’observation évidente que l’Univers n’est pas en équilibre thermodynamique. Hoyle démontre que, géométriquement et cinétiquement, le modèle de l’état stationnaire est identique au modèle d’expansion indéfinie de De Sitter, selon lequel les distances entre les galaxies augmentent exponentiellement avec le temps. Cette expansion accélérée est maintenue par une pression négative dont la nature ne fut jamais convenablement expliquée. Dynamiquement, cependant, ces deux théories sont très différentes. Cela est dû aux termes de création qui apparaissent dans les équations dynamiques gouvernant l’état stationnaire. Ils sont introduits par Hoyle par un procédé mathématique d’une grande élégance. Mais, aux yeux de nombreux cosmologistes, l’élégance formelle de ce procédé n’était pas le seul avantage de la théorie de l’état stationnaire: cette théorie fournissait des prévisions concrètes, puissantes, vérifiables par l’observation, sur l’aspect de l’Univers. Ces prévisions différaient en bien des points de celles du modèle standard, ce qui ramena les tenants des deux camps sur le terrain des faits observables. Au cours des années 1950, ces controverses firent beaucoup avancer, quoique souvent indirectement, le développement des programmes et des techniques modernes d’observation.

Quand Hoyle quitte Cambridge pour son premier long séjour aux États-Unis, il déclare aux journalistes: «Je vais aux États-Unis pour prouver, à l’aide des télescopes géants américains, que la théorie de l’état stationnaire est exacte.» Il ne peut le prouver, les observations américaines au cours des dix années suivantes confirmant au contraire la thèse évolutionniste: époque capitale où l’on découvrit les quasars et le rayonnement du corps noir cosmologique. C’est Hoyle qui fournit les contributions principales aux explications de ces découvertes.

En 1963, le premier quasar est découvert. Sa luminosité intrinsèque est très supérieure à celle de tout autre objet céleste connu: il est cent fois plus lumineux que n’importe quelle galaxie! En 1962, Hoyle et William A. Fowler avaient proposé une théorie qui pouvait rendre compte de la luminosité énorme des quasars; il s’agissait de la théorie des étoiles supermassives. Des considérations théoriques permettent de démontrer que des étoiles «normales» de masses supérieures à environ 60 masses solaires seraient le siège d’instabilités violentes dues à la pression de radiation et à la génération de l’énergie nucléaire. Cette hypothèse est corroborée par le fait que l’on n’observe pas d’étoiles «normales» au-delà de la limite d’instabilité. En dépit de cet argument, Hoyle et Fowler proposaient le concept d’étoile supermassive, étoile qui serait «supportée» presque entièrement par la pression de radiation. De telles étoiles rayonnent à un taux très précis, appelé la luminosité d’Eddington. Cette luminosité est proportionnelle à la masse. Pour atteindre la luminosité caractéristique d’un quasar, l’étoile supermassive doit avoir une masse de l’ordre de 100 millions de masses solaires. Une fois formée, l’étoile supermassive évolue par une progression quasi statique d’états de densité croissante et, à cause des fortes pertes par rayonnement, d’énergie décroissante. Lorsque la densité devient suffisamment élevée, une étoile supermassive de moins de 1 million de masses solaires explose, tandis qu’une étoile plus massive subit un effondrement cataclysmique et forme des trous noirs supermassifs. Ces deux possibilités sont très importantes pour comprendre les quasars, et elles ont été étudiées par de nombreux chercheurs. Une autre explication du phénomène quasar, suggérée pour la première fois par Donald Lynden-Bell, suppose l’accrétion de matière dans un trou noir supermassif situé au centre d’une galaxie.

Lorsque d’autres quasars furent découverts, il fallut bien convenir que la théorie de l’état stationnaire n’était plus crédible. Dennis W. Sciama et Martin J. Rees remarquèrent qu’il existait beaucoup plus de quasars dans le passé que de nos jours. Leur découverte démontrait une évolution cosmologique, incompatible avec la théorie de l’état stationnaire. Ces faits furent confirmés par Maarten Schmidt. Hoyle rétorqua en élaborant, avec Geoffrey R. Burbidge, un modèle théorique qui supposait que les quasars n’étaient pas situés à une distance cosmologique, mais qu’ils avaient été éjectés, à très grande vitesse, par des galaxies proches de la nôtre. Leurs forts décalages vers le rouge seraient alors dus non à l’expansion de l’Univers, mais à l’effet Doppler-Fizeau. Ce modèle est connu sous le nom de théorie des hypothèses locales.

En 1965, Arno A. Penzias et Robert W. Wilson, des Bell Laboratories, découvrent que le ciel entier émet un rayonnement à la longueur d’onde de 7 centimètres et à une température effective de 3,5 kelvins. Des physiciens de Princeton University postulent aussitôt que ce rayonnement doit être celui du corps noir cosmologique résultant du big bang, l’explosion primordiale d’où naquit l’Univers. Depuis 1965, cette interprétation a été largement confirmée par de nouvelles observations et des données probantes. Il semble bien que le big bang a eu lieu, donc que l’Univers n’est pas stationnaire, mais en constante évolution. Hoyle, promoteur de la théorie de l’état stationnaire, va apporter des contributions fondamentales au modèle standard, contributions qui concernent principalement la nucléosynthèse: comment les éléments chimiques ont-ils été produits à partir de l’hydrogène? Deux questions se posent: comment s’est formé l’hélium ? d’où proviennent les éléments plus lourds que l’hélium ?

Geoffrey R. Burbidge, E. Margaret Burbidge, Fowler et Hoyle démontrent en 1957, dans un article célèbre, le «B2FH», que les éléments lourds sont produits par des réactions nucléaires à l’intérieur des étoiles. Ces éléments sont rejetés dans le milieu interstellaire par les explosions des supernovae ou des vents stellaires. L’article propose une explication cohérente de la nucléosynthèse; il règle une fois pour toutes la question de la direction de l’évolution stellaire dans le diagramme Hertzsprung-Russell, il offre une base objective aux calculs de la constitution interne des étoiles, il montre que le terme de l’évolution d’une étoile très massive est l’explosion d’une supernova. Au moment de sa parution, cette thèse semblait prouver le bien-fondé de la théorie de l’état stationnaire: en effet, le big bang ne jouait aucun rôle dans la nucléosynthèse.

Cependant, il devint vite évident que l’hélium ne pouvait se former en quantité suffisante dans les étoiles. La quantité d’énergie qui est nécessaire pour produire de l’hélium à partir de l’hydrogène (processus similaire à celui de l’explosion d’une bombe à hydrogène) est bien connue. En supposant que toute l’énergie rayonnée sous forme de lumière par notre Galaxie durant sa vie entière provient de la conversion de l’hydrogène en hélium, on peut estimer la limite supérieure de la quantité d’hélium produit dans notre Galaxie. Cette limite est environ dix fois plus petite que la quantité observée, ce qui prouve que de l’hélium a dû être produit ailleurs que dans les étoiles; la seule possibilité reste le big bang. La question de l’hélium possède une longue et dramatique histoire. Hoyle avait écrit sa première étude sur la nucléosynthèse en 1946, deux ans avant que Ralph A. Alpher, Hans A. Bethe et George Gamow ne publient leur fameux article « 見- 廓- 塚» (baptisé ainsi par homophonie avec les noms de ses auteurs) sur le même sujet. Hayashi a fait remarquer que les arguments contenus dans « 見- 廓- 塚» étaient erronés parce qu’ils négligeaient la création de paires électron-positron. Une série ultérieure de calculs effectués par de nombreux chercheurs visa à améliorer les arguments physiques et l’exactitude numérique. Le succès final revient à Robert V. Wagoner, Fowler et Hoyle qui, en 1967, firent des calculs très approfondis tenant compte de toutes les réactions intervenant entre les éléments légers. Cette étude prouva que la majeure partie de l’hélium a dû être produite lors du big bang.

La théorie de l’état stationnaire, le principe cosmologique parfait, les étoiles supermassives, les hypothèses locales, la nucléosynthèse sont des termes qui appartiennent aujourd’hui au vocabulaire consacré de la cosmologie. Ils mesurent l’ampleur et la valeur des recherches et des contributions de Fred Hoyle. Celui-ci fut toujours intéressé par les questions les plus fondamentales. Il a souvent défendu ses idées peu orthodoxes avec la plus grande passion et le plus généreux dévouement. Ses convictions, comme celle selon laquelle les êtres vivants de notre Terre proviendraient de l’espace galactique, ou encore son renom mondial comme écrivain de science-fiction sont tenus pour des signes d’excentricité par nombre de ses collègues. Mais le monde serait bien pauvre sans le stimulus de semblables «excentricités», et les travaux de Fred Hoyle lui assurent une place incontestée dans l’histoire des sciences.

Encyclopédie Universelle. 2012.

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