Pourquoi la nuit est-elle noire ?

Explication du paradoxe d'Olbers et résolution de celui-ci. Notion de fond diffus cosmologique. Voir descriptif détaillé

Pourquoi la nuit est-elle noire ?

Explication du paradoxe d'Olbers et résolution de celui-ci. Notion de fond diffus cosmologique. Voir descriptif détaillé

Le ciel la nuit nous paraît bien noir comparé au beau ciel bleu d’après-midi.
C’est parce que le soleil ne nous éclaire pas de sa lumière pendant la nuit. Pourtant une quantité incroyable d’autres étoiles éclairent notre ciel nocturne. La lumière de ces étoiles provient de tous les coins de l’Univers. Or celui-ci étant infini, comment cela se fait-il que le ciel nocturne ne soit pas aussi lumineux qu’en journée ?
C’est ce à quoi nous allons répondre ici.

Pourquoi la nuit est-elle noire ?

Bien que cette question puisse être répondue par n’importe qui : « car le soleil est couché », elle est une des question les plus importantes de la cosmologie.

Cette question porte le nom de paradoxe d’Olbers, en référence à Heinrich W. Olbers, qui démontra que, dans le cas d’un univers infini rempli d’étoiles, le ciel devrait être tout le temps aussi brillant que en plein jour.

Pour mieux comprendre les enjeux, il est important de remettre la question dans son contexte. On se trouve au début du 19éme siècle. La croyance générale dit que l’univers est infini et éternel, rempli d’une infinité d’étoiles [Alain Jorissen, Introduction à l’astrophysique, presse universitaire de Bruxelles].
Pourquoi devrait on avoir un ciel nocturne lumineux dans ce cas ? La réponse est illustrée sur la figure 1.

Figure 1
Illustration du paradoxe d’Olbers. Peut importe où on regarde dans le ciel, notre vue fini par tomber sur une étoile, rendant le ciel nocturne lumineux.

Dans un tel cas, chaque ligne de vue devrait se terminer sur une étoile. C’est-à-dire que peut importe ou on regarde dans le ciel, on va trouver une étoile, aussi éloignée soit-elle de nous.

Très bien, mais plus les étoiles sont éloignées, plus elles nous paraissent petites, et ne devraient donc pas couvrir l’entièreté du ciel nocturne ?

Figure 2
Plus on regarde loin dans le ciel, plus les étoiles nous paraissent petites, mais leur nombre augmente.

Si on considère un univers possédant une répartition plus ou moins homogène des étoiles (ce qui est effectivement le cas [Steven Weinberg, Gravitation and Cosmology]), alors plus on regarde loin, plus il y a d’étoile présente dans un morceau de ciel donné. Cela est schématisé sur la figure 2.

On comprend donc que la supposition d’un univers rempli d’une infinité d’étoiles nous mène à la conclusion que le ciel devrait être tout le temps aussi brillant qu’une étoile.

Solution du problème

Un moyen très simple de résoudre ce problème est, soit de supposer que l’Univers a une taille finie (notre ligne de vue ne tombe donc plus forcément sur une étoile, mais peut tomber sur la « fin » de l’Univers), soit de supposer que l’Univers a un certains âge.
En quoi supposer cela résout-il notre problème ? Cela provient de la vitesse de la lumière, qui est une valeur finie. Ainsi on ne peut pas voir plus loin que la distance que la lumière a parcouru depuis la naissance de l’Univers, ne donnant qu’on nombre fini d’étoiles dans le ciel.

C’est incroyable de voir que la simple observation que la nuit soit noire nous permette de déduire que l’Univers est soit fini, soit a un âge fini (ou les deux).

Mais de quelle couleur est-elle réellement ?

Nous venons de voir que le paradoxe d’Olbers pouvait être résolu en supposant que l’univers a un âge fini. Mais cette supposition mène à d’autres perspectives. En effet si l’univers possède un certains âge, alors cela implique qu’il est né à un certain moment. La théorie la plus reconnue qui décrit cette naissance st la théorie du big bang. Nous n’allons pas entrer dans tous les détails de cette théories, mais seulement voir que celle-ci donne un « couleur » au ciel nocturne.

Une anecdote amusante sur la théorie du big bang est que son nom provient d’un scientifique, Fred Hoyle, qui ne croyait pas du tout en elle et lui avait trouvé ce nom pour s’en moquer. La théorie a survécu au ridicule, et le nom a survécu au temps.

Au tout début de L’univers

La théorie du big bang décrit l’univers primitif comme étant extrêmement dense et chaud. Pourtant on sait qu’il règne un froid de canard dans l’espace. C’est qu’en vieillissant et en grandissant, l’univers s’est refroidi. au point de maintenant être d’une extrême froideur, à peu près -270°C.

En quoi cela teinte-t-il la nuit ? Et bien cela provient du fait que la matière chauffée émet de la lumière. Cette notion très importante en astrophysique est traduite par la loi dite « du corps noir ». Cette loi relie la température d’un corps à la longueur d’onde de la lumière que ce dernier émet.
Cette loi nous dit que tous corps à une température différente du zéro absolu (-273.15°C) émet de la lumière, à différentes fréquences, avec une distribution dépendante de la température. Une répartition typique de cette lumière émise en fonction de la température du corps chauffé et de la longueur d’onde de la lumière émise est montré sur la figure 3.

Figure 3
Distribution des longueurs d’onde émises par un corps chauffé en fonction de la température de celui-ci. L’axe horizontal représente les longueurs d’onde (en nanomètres). L’axe vertical représente l’intensité de la lumière émise à cette longueur d’onde (échelle arbitraire), les différentes courbes représentes un corps chuaffé à différentes températures. (https://fr.wikipedia.org/wiki/Corps_noir)

On voit sur cette image que plus un corps est froid, plus les longueurs d’onde de la lumière que celui-ci émet se décalent vers la droite, correspondant aux grandes longueurs d’onde.
Dans le cas de notre univers à -270°C, celui-ci émet de la lumière avec une longueur d’onde typique de 1.9 mm. Comme on peut le voir sur le spectre électromagnétique, cela correspond à une longueur d’onde dans le domaine des micro-ondes, tandis que la lumière visible par l’oeil humain est comprise entre des longueurs d’onde de 400 et 800 nanomètres.

Spectre électromagnétique
Classification de la lumière en fonction de sa longueur d’onde. La lumière visible est comprise entre des longueurs d’onde de 400 et 800 nanomètres. (https://upload.wikimedia.org/wikipe...)

Cela conclut notre questionnement sur la couleur du ciel. Celui-ci nous paraît noir non pas parce qu’il est vide, mais parce qu’il est empli d’une lumière que nos yeux ne peuvent pas voir.

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