Chandrasekhar

Subrahmanyan Chandrasekhar est un astronome né le 19 octobre 1910 à Lahore, mais issu d'une famille de brahmanes aisée originaire du sud de l'Inde, où il passera les premières années de sa vie, et neveu du physicien Chandrasekhara Venkata Raman (prix Nobel de physique en 1930). Après des études à Madras, puis au Trinity College à Cambridge, il s'est installé aux États-Unis. Ses recherches ont notamment porté sur la théorie des astres compacts (naines blanches, trous noirs...). Ses apports à l'astrophysique vont cependant bien au-delà. Non seulement, il a formé toute une génération de théoriciens, aujourd'hui toujours en activité, mais comme directeur de l'Astrophysical Journal, qui est une pièce maîtresse des dispositifs de communication entre chercheurs, il a contribué pendant plusieurs décennies à donner le ton de ce qui sera longtemps l'astrophysique américaine. Chandrasekhar est mort le 21 août 1995. Parmi la poignée de géants qui ont porté sur leurs épaules l'astrophysique du 20^e siècle, aucun, sans doute, n'aura incarné mieux que lui les grands accomplissements de cette science. Ses découvertes, ses cheminements, ses méthodes, la vocation nouvelle qu'il a donnée à sa discipline, autant que les diverses fonctions qu'il a exercées ont fait de cet homme discret l'un des astronomes les plus influents du siècle passé.

Prélude indien
L'aventure de Chandrasekhar commence aux confins lointains de l'Empire britannique, en 1928. Il a dix-huit ans, fait des études à Madras, et va faire cette année-là, de son propre aveu, la rencontre la plus déterminante de sa vie : celle du physicien Arnold Sommerfeld, de passage pour un cycle de conférences et à qui le jeune homme demande un rendez-vous. Chandra, comme l'appelleront plus tard ses confrères, est enthousiaste. Il a lu l'ouvrage de son héros intitulé La structure de l'atome et ligne spectrales, et serait presque prêt à le réciter! Pas si vite, l'interrompt Sommerfeld, "mon livre date de cinq ans. Il est aujourd'hui dépassé. De nouvelles lois pour la physique ont été introduites depuis!" La lame de fond de cette nouvelle physique, que l'on appelle déjà la mécanique quantique et qui agite toute l'Europe, n'avait pas encore atteint l'Inde. Chandrasekhar reçoit l'onde de choc en pleine figure. Sonné, il demande : 

"Tout ce que je sais est-il donc faux?". 

"Si vous avez bien assimilé la physique ancienne, vous n'êtes pas complètement désarmé pour aborder la nouvelle". 

Et le physicien de donner au jeune homme la copie d'un article qu'il vient d'écrire sur une application aux électrons de la nouvelle statistique. Celui-ci contient plusieurs références, que l'étudiant parvient dès les jours suivants à se procurer à la bibliothèque. L'une est un article de Ralph Fowler, un physicien de Cambridge, consacré au comportement des électrons soumis à un fort confinement. Fowler y explique que selon les termes de la nouvelle physique apparaît un phénomène appelé la dégénérescence : les électrons sont saisis d'une agitation frénétique, différente de l'agitation thermique responsable ordinairement de la pression d'un gaz, mais qui aura le même effet. Un gaz très comprimé, aussi froid soit-il, finit par opposer une solide résistance à tout effort supplémentaire pour le comprimer. Pour Fowler, cette "pression de dégénérescence" résout une énigme soulignée à propos des naines blanches par Arthur Eddington, un des pionniers de la physique stellaire et lui aussi de Cambridge, dans un livre sur la structure des étoiles, publié en 1926.

Eddington prenait l'exemple du compagnon de Sirius, qui a été la première naine blanche découverte, au 19^e s. Il s'agit d'un astre de la masse du Soleil, mais du diamètre de la Terre. Ce qui signifie une masse par une unité de volume 60 000 fois supérieure à celle de l'eau. Eddington interprétait cette densité colossale par un affaiblissement de la pression thermique dû au refroidissement de l'étoile, qui se révélait dès lors incapable de contrer les effets de son propre poids. L'astronome se demandait ce qu'il adviendrait si l'astre se refroidissait encore. Comme il ne pouvait admettre l'idée que l'effondrement puisse se poursuivre indéfiniment, il concluait au mystère. Un mystère résolu par Fowler, donc : les naines blanches ne s'effondrent pas indéfiniment sur elles-mêmes simplement parce que la pression de dégénérescence les soutient, quelle que soit leur température. Chandrasekhar, pour qui c'est le premier contact avec le monde des étoiles, va se procurer rapidement l'ouvrage d'Eddington. Dès cet instant, les dés sont jetés. Du moins pour le jeune homme; l'astrophysique devra encore attendre un peu...

Chandrasekhar est une éponge. Il assimile la nouvelle physique, ses nouvelles règles et ses nouvelles questions à une vitesse hallucinante. Deux ans plus tard, l'étudiant décroche une bourse pour se rendre à Cambridge. Pour lui les études, c'est bien davantage qu'une porte d'accès à la connaissance. Il partage les aspirations de la bourgeoisie indienne de son temps et le combat de Gandhi et de Nehru : l'indépendance de l'Inde. Il y a mille façons d'y parvenir. L'émergence dans le pays d'une génération de brillants scientifiques et intellectuels internationalement connus en est une. C'est la voie adoptée par les physiciens Raman, Saha et Bose, par le mathématicien Ramanujan ou encore le poète Rabindranath Tagore. C'est aussi le chemin que souhaite suivre Chandrasekhar. Il part, donc!

Et vogue la limite de Chandrasekhar!

Le 31 juillet 1930, il embarque à Bombay sur un paquebot italien, le Lloyd Triestino, qui vogue vers Venise. Le temps sera exécrable pendant toute la traversée de l'Océan indien, mais les éléments se calment un peu après Aden. Et Chandra, sujet au mal de mer, trouve enfin quelque répit pour retourner à ses travaux. Il met la dernière main à l'article commencé avant son départ. Une théorie de la structure interne des naines blanches dans laquelle pour la première l'équation de Fowler se trouve directement confrontée à celles d'Eddington. Quand il a terminé ce travail, quelque chose le frappe. Au centre d'une naine blanche telle que Sirius B, la vitesse des électrons dégénérés doit atteindre 180 000 km/s. C'est beaucoup. Et c'est même assez pour que les effets relativistes ne doivent plus être négligés.

Chandrasekhar comprend que si la masse de la naine blanche est plus importante, les électrons vont frôler des vitesses qui se heurteront nécessairement au mur de la vitesse limite c de la lumière… Que se passe-t-il alors? Le jeune homme pose et résout plus ou moins approximativement quelques équations et la réponse surgit : il ne peut pas exister de naine blanche dont la masse dépasserait 1,4 masses solaires! Au-delà de cette masse la pression de dégénérescence ne peut plus soutenir le poids de l'astre qui s'effondre donc sur lui-même sans que rien ne puisse lui faire obstacle.

Ce résultat, obtenu sur un bateau ivre entre deux nausées, n'a l'air de rien. Il va pourtant se révéler capital au moins pour deux raisons. La mise en évidence d'une telle masse maximale, que l'on appelle aujourd'hui la limite de Chandrasekhar, est ainsi déjà en soi un progrès important des connaissances. Elle est le point de départ de ce qui est aujourd'hui le pont aux ânes de l'astrophysique stellaire : le destin des étoiles dépend de leur masse. Elle constitue aussi la première marche de ce grand escalier qui gravit le siècle, depuis les naines blanches jusqu'aux trous noirs, en passant par les étoiles à neutrons. Le second point à souligner est le caractère révolutionnaire de la démarche qui a été adoptée. Chandrasekhar, pour la première fois, a établi une propriété d'un astre (sa masse), à partir de concepts, de grandeurs et de lois qui appartenaient jusque là au seul domaine quantique. Or, si l'on voulait résumer en une formule ce qui aura caractérisé l'astrophysique du XX^e siècle, on dira certainement, avec Kameshwar Wali ( bibliographie), qu'elle est devenue, grâce à Chandrasekhar, une physique de l'extrême. Elle aura non seulement balisé le territoire où se rencontrent l'indéfiniment petit et l'indéfiniment grand, mais aussi et surtout celui où les lois de la physique sont portées au plus près de leur point de rupture.

La vie est dure!

Ralph Fowler, qui dirigera sa thèse, accueille Chandrasekhar à Cambridge avec bonhomie. Il l'aide à publier son article sur la structure des naines blanches, mais se montre réservé devant le second, où l'existence de la masse limite est présentée. Cette attitude sera globalement celle de tout Cambridge pendant les années suivantes. Frustrant, mais tant pis. L'étudiant est là aussi pour apprendre. Il suit les cours de mécanique statistique de Fowler, ceux de mécanique quantique de Dirac, ainsi que l'enseignement de la relativité générale dispensé par Eddington. Avec celui-ci, une forme d'amitié s'instaure progressivement. Ils partagent les mêmes options pacifistes et internationalistes, et le même goût pour les longues promenades à vélo… En dépit de cela, la vie est dure à Cambridge. Il y a la mort de sa mère, la solitude, le racisme rampant, etc. sans parler de son végétarisme rigoureux, qui s'accorde si mal avec la cuisine anglaise! Et puis, personne non plus pour s'intéresser à sa découverte. Il doute, et songe à abandonner l'astronomie et s'orienter vers la physique théorique. Il séjourne ainsi quelque temps à Göttingen chez Max Born, puis à Copenhague, auprès de Niels Bohr. Échouant dans la résolution d'un problème que lui avait confié Dirac, il reviendra dépité en Angleterre. Après l'obtention de son doctorat, une autre envie lui vient. Léon Rosenfeld, rencontré au Danemark, lui avait fait partager son enthousiasme pour la révolution soviétique. Alors, maintenant, il souhaite se rendre compte par lui-même et se rend à l'observatoire de Pulkovo en juillet 1934.

Là-bas, il rencontre la jeune garde de l'astronomie soviétique, Lev Landau, Viktor Ambartsumian, Nikolai Kozyrev et d'autres. A l'exception d'Ambartsumian, tous seront plus tard déportés en Sibérie, emprisonnés ou éliminés par le régime stalinien. En attendant, c'est l'insouciance. Et Chandrasekhar a la surprise de constater l'intérêt que suscitent ici ses travaux sur les naines blanches. Landau a publié en 1932 dans une revue soviétique un bref article qui conclut lui aussi à l'existence d'une masse limite. A la différence de Chandra, il ne croit pourtant pas qu'un effondrement indéfini soit inéluctable au-delà. Il est déjà sur la piste de ce que seront les étoiles à neutrons. Mais c'est une suggestion d'Ambartsumian que Chandrasekhar va surtout retenir. 

"Jusqu'ici, lui dit son interlocuteur, tu n'as considéré que des naines blanches de masse supérieure à la masse limite, et un autre dont la masse est inférieure. Tu seras beaucoup plus convaincant, si tu parviens à produire une théorie complète qui établirait la loi qui fournit, pour toutes les valeurs possibles de masse, la valeur du rayon de l'étoile…"

De retour à Cambridge, Chandrasekhar se sent revigoré et s'attelle à ce nouveau problème. Malheureusement les mathématiques nécessaires se révèlent vite trop compliquées. Et il ne voit qu'une solution : faire les calculs numériques pour un certain nombre de points et tracer sa courbe "à la main". A l'époque, les machines à calculer sont rares. Mais il se trouve qu'Eddington en possède une. Une Braunshweiger dont il faut tourner la manivelle jusqu'à ce qu'un jeu compliqué de bielles et de roues dentées consente à livrer le résultat... Le professeur ne voit aucune objection à la prêter à son étudiant, qui la transporte aussitôt sur un chariot jusqu'à sa chambre. Le travail prendra plusieurs mois. Et presque chaque jour durant cette période, Eddington, dont rien ne laisse prévoir la prochaine trahison, vient s'informer de l'avancement des travaux et l'encourager. Il consulte ses brouillons, et n'élève jamais la moindre objection. Vient enfin le grand jour. Le 11 janvier 1935, Chandrasekhar peut enfin présenter ses résultats à une réunion de la Royal Astronomical Society, à Burlington House, à Londres. Le jeune homme est anxieux, car par une indiscrétion il a appris qu'Eddington prendra la parole après lui, avec une communication intitulée "Dégénérescence relativiste". Il a raison de s'inquiéter, car aussitôt qu'il aura terminé son exposé, Eddington va l'assassiner. En quelque phrases, il démolit tout le travail de l'étudiant. Des étoiles qui imploseraient? Mais vers quoi? Imaginera-t-on que des densités puissent être atteintes telles que la lumière elle-même, comme l'avait montré Karl Schwarzschild en 1916, se trouve piégée par le champ de gravitation d'un tel astre? Quelle absurdité! Chandrasekhar qui n'aurait jamais imaginé pareil coup de poignard, s'extirpe en titubant de la réunion, un voile blanc devant les yeux. Il est cassé.

Le refuge américain

Son premier réflexe est la contre-attaque. Dès le lendemain, il fait parvenir son travail, ainsi que l'argumentation d'Eddington, à Dirac, Bohr, Rosenfeld, Fowler, Pauli et d'autres. Tous sont d'accord avec ses résultats et contestent le point de vue d'Eddington. Pauli résume l'opinion générale : 

"Votre travail est impeccable, alors que les thèses d'Eddington sont dénuées de sens. Il ne comprend rien à la physique. Il voudrait que ses lois se règlent sur sa vision de la nature". 

Pourtant personne n'accepte d'exprimer publiquement son désaveu du trop prestigieux astronome. Chandrasekhar est seul. Désespéré, il ne songe plus qu'à fuir Cambridge. Pas question pourtant de retourner en Inde. La recherche en Inde est devenue un panier de crabes. On y intrigue plus que l'on y travaille. Le rêve de prestige des grands esprits au service de l'indépendance, s'est piteusement brisé depuis que son oncle Raman et Saha pont commencé à s'entre-déchirer au seul nom de leurs vanités. Finalement, c'est en Amérique, où Eddington n'est pas un mandarin intouchable, qu'il partira s'installer dès 1936, et où il demeura jusqu'à sa mort en 1995. Sollicité d'abord par Harlow Shapley à Harvard, il rejoint l'année suivante Otto Struve, arrière-petit fils du fondateur de l'observatoire de Pulkovo, et qui dirige l'observatoire de Yerkes, à Wiliams Bay, près de Chicago. Struve est préoccupé par le recul de son observatoire, longtemps le plus prestigieux du monde, depuis la montée en puissance de l'astronomie californienne. Le télescope du mont Wilson fonctionne depuis une quinzaine d'années, celui du mont Palomar est déjà en projet. D'où l'idée de réagir en créant à Yerkes et à l'université de Chicago le pôle d'astrophysique théorique qui fait encore défaut aux observatoires de la côte Ouest. Struve veut faire travailler ensemble astronomes d'observation et théoriciens. A l'époque, une démarche inédite. Le noyau de la nouvelle équipe sera constitué de jeunes chercheurs venus d'Europe : Gerard Kuiper, Bengt Strömgren et Chandrasekhar, qui a seulement 25 ans, mais dont les idées sont accueillies ici sans tabou, et se voit chargé de mettre en place un cursus de préparation au doctorat en astronomie. Il va ainsi former au cours des décennies suivantes une génération de chercheurs de premier plan, qui va de Carl Sagan à Jeremiah Ostriker (actuellement à l'observatoire de l'université de Princeton, et à l'Institut d'astronomie de Cambridge, en Angleterre), en passant par plusieurs futurs prix Nobel… A partir de cet instant, grâce à l'initiative de Struve et au programme de Chandrasekhar, les États-Unis disposeront aussi de compétences théoriques enfin équivalentes à celles de l'Europe, et des équipes capables de tirer le meilleur parti de leurs instruments géants. La "force de frappe" ainsi constituée qui va assurer à l'Amérique un leadership en astrophysique qui ne cessera plus de renforcer.

Pendant ce temps Eddington, de l'autre côté de l'Atlantique, poursuit son travail de sape, qualifiant à chacune de ses conférences le résultat de Chandrasekhar de "bouffonnerie stellaire". Un colloque consacré aux novae et aux naines blanches, qui se tient à Paris en 1939, auquel vient assister Chandrasekhar, sera l'occasion d'une ultime confrontation avec Eddington. Le soir, lors d'un dîner de gala donné à l'hôtel de ville de la Capitale, les deux hommes se retrouvent pour la dernière fois face à face. "Je suis désolé si je vous ai blessé ce matin", bredouille le vieil astronome. "Avez-vous changé d'idée", demande Chandrasekhar. "Non? Alors pourquoi vous excusez-vous?" Et le jeune homme de tourner les talons. Le lendemain, Chandrasekhar quitte la France à bord du paquebot Normandie pour lequel se sera la dernière traversée. Tout est dit, croit-il. La guerre éclate quelques semaines plus tard. Eddington meurt d'un cancer en 1944.

Nouveau départ

De retour à Chicago, Chandresekhar décide qu'il ne s'occupera plus jamais des naines blanches. Parallèlement à ses activités pédagogiques, il aborde la période la plus productive et la plus heureuse de sa carrière. Il n'est aucun domaine de l'astrophysique auquel il n'apporte sa pierre, défrichant à l'occasion de nouveaux grands chapitres. Mais tout se détraque en 1952. En pleine chasse aux sorcières maccarthyste, il va être la victime des intrigues de Strömgren. Chandrasekhar se trouve ainsi écarté de ses activités d'enseignant. Trahi par ses amis, lâché par ses collègues, il trouve une position de repli, qu'il pense provisoire, en devenant rédacteur en chef de l'Astrophysical Journal. Cette revue, jusque-là ne publiait, pour l'essentiel, que des articles techniques émanant de l'université de Chicago, mais elle passe à cette époque entre les mains de l'American astronomical Association (AAS) qui veut en faire un espace privilégié où sera publiée toute la recherche en astrophysique produite aux États-Unis. C'est un homme aigri et taciturne, qui va donc conduire cette transition, puis, pendant près de 20 ans, diriger d'une main d'acier le journal. Chandrasekhar, qui ne cessera son travail de recherche, se coupe à partir de cette époque complètement de la communauté astronomique. Il n'entretiendra plus avec ses confrères que des échanges liés à la publication de leurs articles. Cet isolement intransigeant ne l'empêche pourtant pas de jouer un rôle capital dans les évolutions que connaît alors l'astrophysique, spécialement avec l'explosion de la radioastronomie (quasars, rayonnement cosmologique à 3K, pulsars, chimie du milieu interstellaire…). Chandrasekhar se montre attentif à ce que la jeune génération de chercheurs que la nouvelle discipline suscite puisse travailler en interaction permanente avec les astronomes optiques. Il transformera l'Astrophysical Journal en lieu de dialogue entre les deux communautés. Une démarche qui semble aujourd'hui naturelle. Mais à l'époque, il fallait la pénétration de vue d'un Chandrasekhar pour en percevoir tous les enjeux.
-

Chandrasekhar a-t-il désormais tourné la page Eddington? La suite montre que non. En 1971, il abandonne ses fonctions à l'Astrophysical Journal pour s'attaquer de front à la discipline qui avait fait la gloire de son aîné : la relativité générale! Ayant dépassé le maître, il va se plonger, entouré par une équipe de jeunes théoriciens, dans l'étude de ces monstruosités qu'elle génère, et dont Eddington n'avait jamais voulu entendre parler : les trous noirs! Il faut dire que la situation avait bien changée. La découverte des premières étoiles à neutrons fin 1967, qui s'étaient révélées sous la forme de pulsars avait ajouté de la crédibilité à toutes les spéculations sur la mort compacte des étoiles. Et beaucoup de chercheurs travaillaient à cette époque sur ce sujet. Tous avaient fini cependant par se heurter à des difficultés que seules des connaissances approfondies aussi bien en astrophysique et en relativité générale qu'une extrême dextérité mathématique pouvaient lever. Or à cette époque il n'y a que trois personnes au monde, et deux seulement, capable de relever le défi : l'une vit en Union soviétique et appartient à l'équipe de Zel'dovich, c'est Igor Novikov, une autre vit en Angleterre, c'est Dennis Sciama, qui sera à Cambridge le professeur de Stephen Hawking. La dernière vit aux États-Unis : il s'agit d'un homme à l'élégance stricte, aux cheveux désormais aussi gris que ses célèbres costumes impeccablement taillés, et vers qui désormais tous les regards se tournent. C'est bien sûr Chandrasekhar, enfin sorti de la tour d'ivoire dans laquelle il s'était reclus pendant 20 ans. On le croise de plus en plus souvent à partir de 1971, dans les cafétérias des campus contestataires de Californie. Au milieu de jeunes chevelus en chemises à fleurs et pattes d'ef, il fait tache. Pourtant, ils boivent ses paroles avec révérence. Pas seulement parce qu'il partage leurs valeurs non-violentes et leur opposition à la guerre du Viet-Nâm, mais parce qu'il leur apporte exactement les outils dont ils ont besoin pour résoudre les petits problèmes théoriques qui les tracassent...

Au bout de quelque temps, Chandrasekhar va pourtant être lâché par ces jeunes ingrats. Jugeant que pour l'essentiel, l'affaire est close, et décidés à relever de nouveaux défis, ils le laisseront finir seul les derniers calculs. Des travaux qui sont interrompus à la fin des années 1970 par deux attaques cardiaques, mais il parvient à achever en 1983, son ouvrage sur la théorie mathématique des trous noirs qui est encore aujourd'hui la bible de tous les chercheurs qui abordent ce domaine. Et lorsque, un certain jour de novembre, il est tiré de sa douche à six heures du matin par un coup de téléphone lui annonçant son prix Nobel, il croit d'abord que c'est pour ce travail. Aussi, quand on lui explique qu'il devra partager la récompense avec un autre lauréat, il lance : "Hawking, je parie!". Mais non, il s'agit de Wiliam Fowler (à ne pas confondre avec Ralph), qui a travaillé sur la fabrication des atomes à l'intérieur des étoiles. Une sorte de complément du domaine défriché par Chandrasekhar. Ainsi c'est symboliquement la totalité de ce superbe et redoutable monument qu'est devenu en cinquante ans l'astrophysique stellaire qui se trouve cette année-là récompensée. Pas forcément reconnu par tous, comme en témoigne cette remarque qu'on lui fera lors du dîner consulaire qui suit la remise du prix Nobel de physique : 

"Apparemment, lui dit une dame assise à côté de lui, les travaux pour lesquels vous êtes reconnu ont été accomplis il y a cinquante ans. Qu'avez-vous fait depuis? Oh, vous avez attendu le Nobel pendant tout ce temps! ". 

En bibliothèque - Kameshwar C. Wali, Chandrasekhar, la naissance de l'astrophysique, Diderot Éditeur, 1997 (beaucoup de ce qui est dit dans cette page trouve sa source dans cette attachante biographie). En librairie - Kip Thorne, Trous noirs et distorsions du temps, Flammarion, 1997, rééd. coll. Champs 2001 (Chandrasekhar est un des fils rouges de cette traversée du 20e siècle astrophysique que propose l'auteur).