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Définition et synonyme de : ÉTAT STATIONNAIRE

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Article publié par Encyclopaedia Universalis ÉTAT STATIONNAIRE En 1948, l'Américain Thomas Gold et le Britannique Hermann Bondi publient o dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (vol. 108, n 3, pp. 252-270) un article intitulé « The Steady-State Theory of the Expanding Universe » (« La Théorie de l'Univers en expansion considéré comme stationnaire »). Ils proposent de nouveaux modèles cosmologiques, qui reposent sur un principe fondamental, a priori séduisant, le « principe cosmologique parfait » (P.C.P.), qui généralise le principe cosmologique. Ce dernier (unanimement admis) énonce que l'Univers apparaît identique à tout observateur situé dans l'espace. Il implique l'homogénéité et l'isotropie (symétrie maximale) de l'espace (plus exactement, « des sections spatiales de l'espace-temps ») : tous ses points sont équivalents, toutes ses directions sont équivalentes. Le P.C.P. généralise cette homogénéité et cette isotropie à l' espace-temps. Il en résulte l'équivalence de tous les instants cosmiques : l'Univers doit présenter le même aspect à chaque moment de son histoire. Ce n'est plus seulement l'espace, mais l'espace-temps qui présente une symétrie maximale. À l'époque, les modèles d'Univers stationnaire offrent une alternative aux modèles de big bang qui, même s'ils ne sont pas encore baptisés ainsi (l'appellation date de 1948), remontent aux années 1930.
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ÉTAT STATIONNAIRE

En 1948, l'Américain Thomas Gold et le Britannique Hermann Bondi publient dans les Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (vol. 108, no 3, pp. 252-270) un article intitulé « The Steady-State Theory of the Expanding Universe » (« La Théorie de l'Univers en expansion considéré comme stationnaire »). Ils proposent de nouveaux modèles cosmologiques, qui reposent sur un principe fondamental, a priori séduisant, le « principe cosmologique parfait » (P.C.P.), qui généralise le principe cosmologique. Ce dernier (unanimement admis) énonce que l'Univers apparaît identique à tout observateur situé dans l'espace. Il implique l'homogénéité et l'isotropie (symétrie maximale) de l'espace (plus exactement, « des sections spatiales de l'espace-temps ») : tous ses points sont équivalents, toutes ses directions sont équivalentes.

Le P.C.P. généralise cette homogénéité et cette isotropie à l'espace-temps. Il en résulte l'équivalence de tous les instants cosmiques : l'Univers doit présenter le même aspect à chaque moment de son histoire. Ce n'est plus seulement l'espace, mais l'espace-temps qui présente une symétrie maximale.

À l'époque, les modèles d'Univers stationnaire offrent une alternative aux modèles de big bang qui, même s'ils ne sont pas encore baptisés ainsi (l'appellation date de 1948), remontent aux années 1930. En effet, la révolution conceptuelle que constituent ces derniers est apparemment difficile à admettre pour certains. Les modèles d'état stationnaire, qui décrivent un monde « sans âge », restaurent le mythe millénaire d'un Univers dont l'état resterait toujours identique

Si l'idée semble séduisante, ces modèles stationnaires sont a priori incompatibles avec l'expansion cosmique, pourtant alors déjà découverte, et bien établie depuis les années 1930. Celle-ci implique très directement que le contenu de l'Univers se dilue : avec le temps, ce dernier devient de moins en moins dense et, par simple application des lois de la physique, de moins en moins chaud. Ces phénomènes – expansion, dilution, refroidissement – doivent donc, en théorie, modifier fortement l'aspect de l'Univers au cours du temps, ce qui contredit le P.C.P.

Pour répondre à cette difficulté, les partisans du modèle stationnaire ont inventé une nouvelle loi de la physique : « de la matière serait créée en permanence, de manière à compenser exactement la dilution causée par l'expansion ». Cette création continue, inséparable du modèle, est très faible – seulement une particule de la masse du proton par litre et par milliard d'années –, donc compatible avec l'observation.

La première version proposée du modèle stationnaire est plutôt vague, sans aucune précision sur la fameuse loi de création continue. Un peu plus tard, le physicien britannique Fred Hoyle en proposera une nouvelle version, rendue conforme à la relativité générale.

Le modèle stationnaire va bénéficier d'une grande faveur. En premier lieu, parce qu'il rassemble tous ceux qui ne peuvent se résoudre à abandonner le mythe d'un Univers éternellement égal à lui-même. Mais aussi parce que ses principaux concurrents, les modèles de big bang, sont en butte à une sérieuse difficulté : à partir d'observations de galaxies, les astronomes ont estimé un taux d'expansion de l'Univers qui implique pour celui-ci un âge voisin de 2 milliards d'années, impossible à concilier avec les 4,5 milliards d'années de notre planète ! Il existe bien des versions des modèles de big bang qui prévoient un âge plus long, mais elles sont moins naturelles. Il est donc plus facile de se tourner vers les modèles stationnaires.

Il apparaîtra cependant bientôt que ces estimations étaient fondées sur des résultats d'observation faux d'un facteur 10 environ. Ces erreurs rectifiées, les nouvelles estimations constituent au contraire un fort argument en faveur de la théorie du big bang : l'âge de l'Univers coïncide exactement (à la précision des mesures près) avec les âges des étoiles les plus anciennes. Aucun modèle d'état stationnaire ne permettait d'expliquer une telle concordance ; il est par exemple impossible d'expliquer dans ce cadre pourquoi on n'observe aucune étoile plus âgée qu'une quinzaine de milliards d'années.

Les modèles stationnaires ne résistent plus à la confrontation avec les observations astronomiques, qui montrent de manière de plus en plus incontestable que l'Univers évolue.

Le développement de la physique nucléaire va mettre un terme quasi définitif à toute discussion. En 1964, Fred Hoyle reconnaît l'impossibilité d'expliquer l'existence et l'abondance de l'hélium dans l'Univers dans le cadre des modèles stationnaires. De fait, la seule explication (qui vaut aussi pour le deutérium) est une phase de nucléosynthèse primordiale, caractéristique des modèles de big bang.

Le coup de grâce sera porté par la découverte du fond diffus cosmologique, qui marque la fin des modèles stationnaires et le début du règne du big bang. Dès les années 1940, George Gamow avait prédit dans le cadre des modèles d'« Univers chaud » (expression qui désignait alors le big bang) l'existence d'un rayonnement électromagnétique baignant la totalité de l'Univers. Ce dernier est découvert fortuitement en 1965 par Arno A. Penzias et Robert W. Wilson (Prix Nobel de physique 1978), qui étaient pourtant plutôt favorables aux modèles stationnaires. Depuis lors, d'innombrables instruments au sol, sous ballons ou à bord de satellites ont été consacrés à l'observation de ce fond diffus cosmologique. Toutes les expériences ont vérifié, avec une précision toujours meilleure, les prédictions du big bang.

Auteur: MARC LACHIEZE-REY
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