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Fred Hoyle et Martin Schwarzschild

Prix Balzan 1994 pour l'astrophysique (évolution des étoiles)

Pour leur contribution innovatrice à la théorie de l’évolution des étoiles, qui représente les bases mêmes des développements modernes dans ce domaine.

Parmi les plus importantes contributions de Fred Hoyle (1915 – 2001), rappelons la démonstration que tous les éléments chimiques, du carbone jusqu’aux éléments les plus lourds, peuvent être produits par réactions nucléaires dans les étoiles. Hoyle a jeté les bases de ces travaux en 1946, à l’époque où l’on considérait encore que tous les éléments avaient été produits au moment de la création de l’Univers. En 1954, il prédit l’état excité du noyau de carbone, état qui fut confirmé par la suite. L’existence de l’état excité était nécessaire au moment où le carbone produit par l’hélium ne se transformait pas immédiatement en oxygène, faute de quoi la vie dans l’Univers aurait été impossible. Dans son article classique de 1957, Hoyle identifia avec E.M. Burbidge, G.R. Burbidge et W.A. Fowler les réactions nucléaires les plus importantes et indiqua les phases de l’évolution stellaire au cours desquelles ces réactions devraient intervenir. Plus tard, avec Fowler, il ouvrit la voie à l’étude de l’évolution d’une étoile vers la phase d’explosion en Supernova, qui représente le mécanisme principal par lequel la matière enrichie en éléments lourds est renvoyée dans le milieu interstellaire. Hoyle et Fowler démontrèrent également qu’en comparant la production théorique d’éléments lourds radioactifs et leur observation, on pouvait déduire l’âge de la Galaxie. Hoyle reconnut aussi que la production de tout l’hélium observé ne pouvait être attribuée uniquement aux étoiles et démontra, avec Tayler, Wagoner et Fowler, que la production d’hélium avait déjà dû intervenir dans l’Univers primitif.

D’autres travaux de Sir Fred Hoyle sur l’évolution des étoiles comprennent des études sur l’accrétion de matière stellaire par les étoiles. Bien que l’on reconnaisse aujourd’hui que l’accrétion ne joue pas un rôle de première importance dans les étoiles normales, les idées exposées dans ces articles sont reprises dans diverses études sur les disques d’accrétion. Hoyle prédit en outre avec Lyttleton que dans les étoiles froides géantes rouges il existe une discontinuité de composition chimique entre le noyau central et l’enveloppe extérieure. Ceci pourrait expliquer le grand rayon de ces étoiles.
L’article le plus important de Hoyle sur l’évolution stellaire est celui qu’il a écrit avec Martin Schwarzschild, et qui concerne l‘évolution d’étoiles communes de petite masse en géantes très lumineuses. Ceci est aujourd’hui une étude-clé pour la compréhension des processus physiques de l’évolution stellaire. Avec Hazelgrove, il démontra également que l’on pouvait déduire l’âge des amas stellaires à partir d’une étude de l’évolution de leurs géantes rouges, et il parvint à une estimation de l’âge de la Galaxie comparable à celle-là même qu’il avait déduite par des mesures de la radioactivité. Enfin, il ouvrit la voie, avec Fowler, à l’étude de l’évolution d’étoiles extrêmement massives dans lesquelles l’énergie est d’origine gravitationnelle, et cette étude se trouve du reste être à la base de tous les modèles ultérieurs de noyaux actifs de galaxies.

L’œuvre de Hoyle, qui dans son ensemble va bien au-delà des seuls domaines de la nucléosynthèse et de l’évolution des étoiles, est caractérisée par un haut niveau d’imagination et d’originalité. A ces caractéristiques se sont ajoutées une connaissance approfondie de la physique et une remarquable habileté mathématique. Ses travaux ont eu une grande influence sur le développement de l’astrophysique au cours de la seconde moitié du vingtième siècle.

Les contributions les plus importantes de Martin Schwarzschild (1912 – 1997) à la structure et à l’évolution des étoiles concement la structure des étoiles géantes ainsi que les propriétés des couches superficielles des étoiles dans lesquelles le transport radial de la matière est important. Ses travaux théoriques ont été perfectionnés par l’observation expérimentale des étoiles et du Soleil. Son ouvrage Structure and Evolution of the Stars de 1958 a eu une influence particulière.

Ses premiers travaux, concernant les modèles non-homogènes de la structure des étoiles géantes, conduits avec Li Hen et Oke, allaient de pair avec ceux de Hoyle et collaborateurs. Martin Schwarzschild prit un tournant décisif après la parution de son article écrit avec Sandage qui traitait pour la première fois de l’évolution, explicitement dépendante du temps, d’une étoile dont le noyau avait épuisé son hydrogène, depuis les états d’équilibre de la “séquence principale” au cours desquels l’hydrogène brûle, jusqu’à la phase d’étoile géante. Le point culminant de ces résultats fut atteint dans l’important article publié avec Hoyle, où est décrite l’évolution de toute la branche des géantes comme une suite d’états d’équilibre et qui a fourni d’importantes données sur la structure des étoiles bleues de la “branche horizontale” dans les amas globulaires.

Schwarzschild, avec Härm, anima un premier débat sur l’évolution ultime des étoiles de petite masse, et plus particulièrement en découvrant le rôle joué par les instabilités thermiques, jusqu’au stade où la perte de masse les fait devenir nébuleuse planétaire, – c’est-à-dire une étoile entourée d’une enveloppe de gaz luminescent.
Schwarzschild a ouvert la voie à l’utilisation de télescopes emportés par des ballons pour obtenir des images très détaillées du Soleil, des planètes et des systèmes stellaires. En élevant le télescope à plus de 25.000 mètres, au-dessus de la majeure partie de l’atmosphère terrestre fluctuante, il obtint d’excellentes observations des structures de la surface solaire et put ainsi fournir les contraintes nécessaires à l’élaboration des modèles du Soleil et des étoiles de petite masse. Le travail de pionnier effectué avec Barbara Schwarzschild permit de découvrir des différences dans la composition chimique des étoiles qui se déplacent à grande ou à faible vitesse dans la Voie Lactée, fournissant ainsi des indications très précieuses pour les études de Hoyle sur la nucléosynthèse.

Les travaux de Martin Schwarzschild sur l’évolution des étoiles révèlent de sa part un sens aigu des phénomènes physiques, une grande habileté mathématique, de l ‘imagination et de la rigueur. Schwarzschild introduisit l’ utilisation de l’ordinateur électronique, qui dans les années ‘50 avait atteint un niveau de développement tel qu‘on pouvait l ‘utiliser efficacement pour satisfaire les exigences des analyses astrophysiques. La maitrise de Schwarzschild pour utiliser l’ordinateur comme instrument de recherche a amené des bénéfices considérables tant pour ses travaux cités dans ce texte que pour ses travaux ultérieurs. La recherche de Schwarzschild embrasse de nombreux domaines de l’astronomie et de l’astrophysique. Sa contribution à l’étude de la dynamique Galactique, étude à laquelle il s’est dédié au cours des vingt dernières années, est tout aussi fondamentale que celle apportée à notre connaissance sur l’évolution des étoiles.