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La création de l'Univers L’abondance
des éléments A
l’époque de l’article B2FH
sur la nucléosynthèse, les
astrophysiciens savaient grâce à la spectroscopie que l’hélium
contenu dans les étoiles ne reflétait pas le taux d’abondance
cosmique. Il y en avait en effet dix fois plus dans l’univers que dans
les étoiles[18]. Par
ailleurs, les vieilles étoiles contenaient jusqu’à 28% d’hélium, ce
qui était en contradiction avec la nucléosynthèse qui stipulait que l’abondance
des éléments devait décroître jusqu’à disparaître. En
1964 Fred Hoyle et Roger Tayler réexaminèrent les premiers travaux de
Gamow sur la nucléosynthèse et proposèrent dans le magazine Nature l’idée
que l’hélium fut produit lors du Big Bang. Deux ans plus tard,
P.J.Peebles envisagea que le deutérium fut également synthétisé au
cours de cet événement, car très fragile, s’il avait été
synthétisé par les étoiles il aurait directement été transformé par
les réactions nucléaires. C’est alors que Hoyle, Fowler et Wagoner
eurent l’idée d’analyser les possibilités de synthèse des
éléments légers au cours du Big Bang. Partant
des principes de la relativité générale et des propriétés de l’univers
primordial, ils devaient trouver une relation entre la température et la
densité de l’univers en fonction du temps. Laissant
l’univers se refroidir à son rythme propre, Hoyle et ses collègues
découvrirent que de l’hélium était effectivement produit en quantité
dix fois plus faible que l’hydrogène. Ce rapport était identique aux
valeurs observées. L’hélium pouvait donc avoir été fabriqué au
cours du Big Bang. Mais qu’en était-il du deutérium, de l’hélium-3,
du lithium ou du béryllium?…
Fred
Hoyle pensait que ces éléments avaient été fabriqués lors de la
formation du système solaire, suite aux bombardements des noyaux lourds
par des photons. Les réactions de fissions auraient libéré un grand
nombre de neutrons qui, par réactions en chaînes, auraient formé le
deutérium et l’hélium-3. Or, des chercheurs rassemblés autour de Jean
Audouze, René Bernas et Hubert Reeves[19]
démontrèrent en laboratoire que ces collisions entre des noyaux légers
et des noyaux lourds n’avaient pu engendrer les éléments tant
espérés. Restait
donc les protons issus des rayons cosmiques, seules particules capables de
briser les noyaux lourds. Ils n’étaient pas seulement issus du Soleil
mais on en trouvait les traces dans toute la Galaxie. Ainsi il s’avéra
que la probabilité d’obtenir du lithium-6, du béryllium ou du bore-10
rendait compte de l’abondance relative de ces éléments. Seule
difficulté, ce mécanisme de fission - également appelé mécanisme de
spallation - n’expliquait pas l’abondance du lithium-7, douze fois
plus grande que celle du lithium-6, alors que la théorie prédisait un
rapport sept fois plus élevé seulement. Ces 4 éléments avaient donc
été formés d’une autre façon. Grâce
aux missions Apollo et la capture des particules du vent solaire sur de
grands films d’aluminium, les physiciens purent mesurer l’abondance
relative des isotopes de l’hélium, principalement ceux issus du Soleil.
Ils découvrirent que l’hélium-4 était environ 2000 fois plus abondant
que son isotope l’hélium-3 formé beaucoup plus tôt. Les
astrophysiciens savaient aussi que le deutérium s’était transformé en
hélium-3 suite aux réactions nucléaires dans l’enceinte du Soleil
dans la réaction D + n ®
3He.
D’un autre côté, les physiciens supposaient que l’abondance du
deutérium contenu dans l’eau devait être la même que celle du
système solaire. Pendant ce
temps en Suisse, Johannes Geiss[20],
inventeur de la voile solaire déployée sur la Lune, avait déjà mesuré
l’abondance relative de l’hélium-3 dans le rayonnement cosmique. Mais
elle était dix fois trop élevée comparativement à la quantité de
deutérium contenue dans l’eau. La question était donc de savoir si on
pouvait alourdir l’eau en deutérium (eau lourde) et retrouver les
mesures de Geiss.
La
création continue et l’état stationnaire La
théorie du Big Bang imaginée par les émules de l’abbé Lemaître ne
pouvait expliquer l'origine de la singularité initiale, ni la formation
des galaxies ou la distribution de matière dans les étoiles. A cette
époque, l'âge de l'Univers, basé sur l'extrapolation vers le début des
temps du phénomène de récession des galaxies, était d'environ 2
milliards d'années. Or les géologues étaient parvenus à dater
certaines roches terrestres de quelque 3.5 milliards d'années. Plus tard,
les astronomes découvrirent que la nucléosynthèse stellaire pouvait
durer au moins dix milliards d'années. Certaines étoiles devaient donc
être aussi âgées. Les calculs des astronomes conduisaient ainsi à un
paradoxe : la Terre était plus âgée que l'Univers ! Bien que le modèle du Big Bang ralliait à sa cause une majorité
d'astronomes, en quelques années les partisans de la théorie "de l'état
stationnaire" dépassèrent la communauté des cercles privés et
portèrent le débat au grand jour. Pour expliquer l'abondance des éléments dans l'Univers, les astrophysiciens Hermann Bondi, Thomas Gold et Fred Hoyle[21] considérèrent que l'Univers avait toujours existé, qu'il avait toujours été semblable à aujourd'hui et le serait toujours. Hoyle et ses collègues savaient qu’il était impossible que la matière naisse de rien. Nous savons que suite au phénomène de Big Bang l'éparpillement des galaxies dans tout l'Univers a provoqué une dilution de la matière. Pour contrebalancer cet effet, ils suggérèrent avec beaucoup d'imagination que les champs quantiques imposèrent un équilibre entre la matière et l’expansion de l’univers : l’énergie positive devait équilibrer l’énergie négative. Pour ce faire, de la matière se créait en permanence entre les galaxies à partir du vide. Pour maintenir la densité de l'Univers constante, il suffisait de créer un atome d'hydrogène par mètre cube d'espace tous les 5 milliards d'années. Pour
rendre compte de ce phénomène, Hoyle et ses collègues imaginèrent
également que dans leurs mouvements de fuite effrénées, les galaxies
laissaient derrière elles un sillage d'atomes d'hydrogène qui, par
effets gravitationnels finissaient par former de nouvelles protogalaxies.
La densité moyenne de l'Univers restait ainsi constante, le rapport
matière/ rayonnement étant égal à 2. Leur théorie était celle de la
création continue, mais elle ne pouvait pas expliquer la création de
cette matière... Malgré la publicité faite par Hoyle autour de sa
théorie, celle-ci eut du mal à se maintenir dans les années qui
suivirent suite à la découverte des radiosources[22]. L'intervention de l'astronome soviétique Victor Ambartsumian
allait contredire cette si belle hypothèse. En 1958, Ambartsumian suggéra
que les intenses émissions détectées dans les radiosources provenaient
de phénoménales explosions dont on devait trouver l'origine dans leur
noyau. En généralisant son hypothèse aux galaxies, il imagina que même
les amas pouvaient se former suite à de violentes explosions. Son hypothèse
se trouva confirmée en 1965 avec la découverte du rayonnement à 2.7 K.
Or la théorie de l'état stationnaire prédisait que l'Univers avait
toujours été froid, semblable à aujourd'hui. Il y avait là un
paradoxe, car l'existence d'un rayonnement fossile et l'abondance de l'hélium
par exemple témoignaient qu'à une époque très reculée, la température
de l'Univers avait été bien supérieure à ce qu'elle est aujourd'hui.
Malgré
le fait que les théories de l'état stationnaire et de la création
continue ne sont plus capables d'expliquer le rapport rayonnement/matière
observée ni le rayonnement fossile, Fred Hoyle[23]
et ses collègues Halton Arp, Geoffrey Burbidge, Narlikar et
Wickramasinghe
considèrent
toujours que nous interprétons mal la réalité. Depuis 1990 en effet,
ils ont proposé à plusieurs reprises une théorie "quasi
stationnaire" sous l'acronyme HBN, mais qui s'avère être une
théorie a posteriori. La théorie HBN s'accorde avec le fond de
rayonnement à 2.7 K de manière ad hoc; le physicien P.J.Peebles et ses amis de l’Université de
Princeton l'ont ouvertement critiqué dans le magazine Nature. Nous y reviendrons lorsque nous aborderons les cosmologies
alternatives. Cela dit, la théorie du Big Bang s'en trouva consolidée et devint
ce que l'on dénomma dorénavant le modèle Standard Ce modèle d'Univers est qualifié de
"Standard", car tous les
concepts qu'il exprime furent dans leur majorité confirmés par des découvertes
ultérieures. Seulement, comme ce qu'il advient de toute théorie,
celle-ci sera tôt ou tard invalidée. On découvrira une entrave à sa généralisation
ou une expérience plus poussée qui l'infirmera et on devra remplacer ce
concept par un nouveau modèle qui fera consensus dans la communauté
scientifique.
Il est donc prudent de considérer le modèle Standard comme un simple outil de travail. Aucun astronome ne peut considérer ce modèle d'Univers comme étant meilleur qu'un autre. Jusqu'à ce jour, le modèle Standard explique correctement la plupart des événements qui sont survenus dans l'Univers, jusqu'à un centième de seconde après le Big Bang. Il doit néanmoins être complété par des théories plus complexes pour expliquer certaines étapes de cette évolution (matière sombre, énergie du vide, particules exotiques, etc). Cette théorie reste le modèle de base que toutes les autres hypothèses doivent rencontrer une fraction de seconde après le Big Bang. Pour plus d'information L'invention du Big Bang, J.-P.Luminet Prochain chapitre
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