HOYLE FRED (1915-2001)

La nucléosynthèse

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 lors, 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 « α-β-γ » (baptisé ainsi par homophonie avec les noms de ses auteurs) sur le même sujet. Chushiro Hayashi a fait remarquer que les arguments contenus dans « α-β-γ » 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 revint 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[...]