Avez-vous déjà remarqué qu’une personne à qui l’on pose une question simple dans son domaine d’expertise tombe parfois dans la stupeur ? Bien sûr, cela peut être dû au manque de connaissances de la personne en question. Cependant, il arrive souvent qu’une question simple, en apparence, nécessite en fait un grand nombre de connaissances qui permettent d’obtenir une réponse non triviale. L’une de ces questions, «Pourquoi le ciel est-il noir la nuit ?», est posée depuis plusieurs centaines d’années. Et, bien sûr, nous ne nous contenterons pas de la réponse «parce qu’il fait noir la nuit». Il faut donc aller au fond des choses.
Table des matières
Histoire de la recherche
La première personne à s’intéresser sérieusement à cette question est l’astronome anglais Thomas Digges, qui vivait au XVIe siècle. En 1576, Digges a publié son ouvrage intitulé «A perfect description of the heavenly spheres according to the ancient doctrine of the Pythagoreans, revived by Copernicus, supported by geometrical demonstrations» (Une description parfaite des sphères célestes selon l’ancienne doctrine des Pythagoriciens, remise au goût du jour par Copernic, appuyée par des démonstrations géométriques). Thomas Digges a nettement développé et modifié l’idée de Nicolaus Copernic d’un système héliocentrique du monde. Une différence importante de son travail est l’hypothèse que les étoiles observées dans le firmament ne sont pas situées sur la même sphère, c’est-à-dire qu’elles sont à des distances différentes de la Terre, jusqu’à l’infini.
Structure de l’Univers selon Thomas Digges (extrait de l’ouvrage «A perfect description of the celestial spheres…»)
L’hypothèse d’une sphère céleste infiniment profonde a servi à Diggens d’argument en faveur du fait que la sphère céleste ne tourne pas, mais que seule la Terre tourne. Cependant, une autre conséquence importante de cette hypothèse est une sorte de paradoxe photométrique (nous en parlerons un peu plus loin), qui, selon sa version, consistait dans le fait que les étoiles infiniment éloignées ne sont tout simplement pas visibles, en raison de leur éloignement. Et s’il n’y a pas de source de lumière dans le ciel, nous ne verrons que de l’obscurité à cet endroit. Une explication aussi simple en apparence a donné naissance à de futurs chercheurs sur cette question.
Au XVIIIe siècle, l’astronome suisse Jean-Philippe Louis de Chéseau a formulé le «paradoxe photométrique», qui a ensuite gagné en popularité dans les milieux scientifiques grâce aux travaux de l’astronome et physicien allemand Heinrich Olbers, en l’honneur duquel le phénomène est également souvent appelé. Selon ce paradoxe, dans un univers infini et immobile, parsemé d’étoiles, le regard d’un observateur sur n’importe quel point du ciel doit aboutir à une étoile. De même que si nous nous trouvions dans une grande forêt, seuls les arbres seraient visibles partout, quelle que soit la distance ou la proximité, de même nous devrions voir la lumière d’une étoile en n’importe quel point du firmament.
Animation de l’ajout d’étoiles dans le ciel, couche par couche
Bien que le flux d’énergie de rayonnement de l’étoile doive diminuer de manière inversement proportionnelle au carré de la distance qui la sépare de l’étoile, l’angle solide (la surface angulaire occupée par l’étoile dans le ciel) diminue également de manière inversement proportionnelle au carré de la distance qui la sépare de l’étoile. Comme on le sait, la luminosité de surface d’une étoile est égale au rapport entre le flux d’énergie du rayonnement et l’angle solide de l’étoile, et est donc indépendante de la distance. Si l’on considère que la luminosité de surface du Soleil, qui est une étoile typique de l’Univers, est la luminosité typique de la plupart des étoiles, alors n’importe quel point du firmament devrait briller de la même manière que notre étoile. De toute évidence, nous observons une image très différente.
La solution au paradoxe d’Olbers
Pour tenter de résoudre ce paradoxe, Olbers et Chéseau ont suggéré que la lumière des étoiles lointaines était protégée par des nuages de poussière cosmique situés entre la Terre et les étoiles. En 1848, le mathématicien et astronome anglais John Herschel a réfuté cette explication en affirmant qu’en raison de la loi de conservation de l’énergie, dans un univers isotrope et homogène, ces nuages de poussière devraient indépendamment s’échauffer et émettre de la lumière, dont l’énergie est proche de celle du rayonnement des étoiles.
Représentation graphique du paradoxe d’Olbers
Il convient de noter que, pour la première fois, la solution correcte à ce paradoxe a été publiée non pas dans un article scientifique, mais dans un poème de l’écrivain et poète américain Edgar Allan Poe intitulé «Eureka» en 1848. Plus tard, en 1861, cette réponse a été présentée à la communauté scientifique par l’astronome allemand Togann Medler. Deux hypothèses (aujourd’hui avérées) ont servi de support à cette solution : la finitude de l’âge de l’univers et la finitude de la vitesse de la lumière. En raison de l’âge fini de l’Univers — 13,81 milliards d’années -, le temps pendant lequel la lumière provenant des corps cosmiques les plus éloignés nous parvient ne dépasse pas ce chiffre.
Cet argument prive le paradoxe du postulat de base selon lequel les étoiles observables se trouvent à de grandes distances. S’il existe des étoiles au-delà de cette limite de l’Univers observable, leur rayonnement n’aurait tout simplement pas le temps d’atteindre la Terre. Il s’ensuit que le firmament ne doit pas nécessairement être entièrement recouvert par la lueur d’étoiles lointaines.
Expansion de l’Univers
En 1848, le physicien français Hippolyte Fizeau découvre un certain décalage des raies spectrales dans les spectres des corps célestes qu’il étudie ; ce phénomène est appelé décalage vers le rouge. Le décalage vers le rouge est observé comme une luminescence non caractéristique du corps cosmique étudié, dont le spectre est décalé vers le côté rouge, moins énergétique. L’explication qui a suivi était basée sur l’effet Doppler, selon lequel la longueur d’onde, et donc la couleur, du rayonnement d’un objet lointain augmente alors que son énergie diminue.
Un exemple de décalage vers le rouge cosmologique
Parallèlement, une théorie se développait selon laquelle la longueur d’onde de la lumière était également affectée par le champ gravitationnel. Avec l’avènement de la théorie générale de la relativité d’Einstein, le décalage vers le rouge gravitationnel est devenu une théorie acceptée. En d’autres termes, le rayonnement électromagnétique émis par une source située dans une région soumise à un champ gravitationnel intense (une étoile massive ou un trou noir) subit un décalage vers le rouge. Il existe également un effet opposé, le «décalage vers le bleu», pour les sources de rayonnement situées dans un champ gravitationnel faible.
En 1922-1924, sur la base des calculs d’Albert Einstein, le physicien et mathématicien russe et soviétique Alexander Friedman a créé un modèle connu sous le nom d’Univers instable, selon lequel l’Univers est en expansion et, par conséquent, les objets qui nous entourent s’éloignent constamment. D’après les travaux mentionnés précédemment, en raison de la grande distance qui sépare la Terre des diverses sources de rayonnement électromagnétique qui l’entourent (même des galaxies entières), ce rayonnement perd de son intensité en raison de l’effet Doppler. À cela s’ajoute l’influence du décalage vers le rouge gravitationnel. Il convient de noter que le décalage vers le rouge ne contribue que faiblement à la perte de luminosité du rayonnement provenant d’objets lointains, ce qui explique l’obscurité du ciel.
Schéma de l’expansion de l’Univers
On sait que le ciel deviendra de plus en plus sombre avec le temps, ce qui découle de l’expansion accélérée de l’Univers. Imaginons qu’un objet situé aux confins de l’Univers observable, que nous pensons être à 13,81 milliards d’années-lumière de nous, émette ses premiers photons de lumière au moment de sa naissance. Comme nous l’avons déjà mentionné, ce rayonnement mettra au moins 13,81 milliards d’années à atteindre la Terre. Cependant, pendant ce temps, ce corps s’est éloigné de nous, en raison de l’expansion accélérée de l’Univers. Au moment où, «aux confins de l’univers», l’expansion atteindra la vitesse de la lumière, il y aura un certain horizon des événements, qui ne nous manquera plus le rayonnement de ces objets, et qui s’éloignera de nous à l’infini. Cet horizon se rapproche progressivement au fur et à mesure que l’expansion de l’Univers s’accélère.
La découverte du groupe de Christopher Conselis
Depuis près de 30 ans, le télescope spatial Hubble est un outil précieux pour les astronomes et leur permet d’élargir considérablement notre compréhension de l’Univers. En 2016, un décompte des galaxies de l’Univers observable sur une période de 15 ans, basé sur les données de ce télescope, a été achevé. Alors que les scientifiques pensaient auparavant à la présence d’environ 100 à 200 milliards de galaxies, les données indiquent aujourd’hui que le nombre de galaxies est 10 à 20 fois plus important que les résultats des observations précédentes.
Un groupe de chercheurs dirigé par Christopher Conselis de l’Université de Nottingham a créé un modèle tridimensionnel, basé sur les données mentionnées ci-dessus, qui a permis de calculer le nombre de galaxies dans l’Univers à différents stades de son développement. Selon Christopher Conselis, «plus de 90 % des galaxies de l’univers observable ont une luminosité assez faible et ne pourront donc être observées qu’avec la prochaine génération de télescopes». Selon Conselis, il y a plus de deux mille milliards de galaxies dans l’univers observable.
Photographie de la nébuleuse gazeuse du Crabe dans le spectre visible (à gauche) prise par le télescope Hubble et dans le spectre infrarouge (à droite) fourni par l’observatoire Herschel.
Ainsi, étant donné la présence d’un si grand nombre d’objets lumineux dans l’Univers, nous sommes à nouveau confrontés à la même question d’un ciel noir la nuit. La solution à ce problème, selon Conselis, réside dans les mêmes pertes de lumière provenant d’objets lointains. En raison de leur éloignement, de nombreux obstacles se dressent sur le chemin du rayonnement de ces galaxies, comme d’autres nuages de poussière cosmique et d’autres objets. Aujourd’hui, les télescopes les plus puissants nous permettent d’observer à une distance d’environ 10 milliards d’années-lumière, ce qui limite considérablement le nombre de sources de rayonnement électromagnétique. Il faut également tenir compte du fait qu’en observant des objets à une si grande distance, nous voyons leur état à une époque lointaine, alors qu’ils commencent peut-être à peine à se former.
Selon le livre «Night Darkness : The Mystery of the Universe» de l’astronome Edward Harrison de l’Université du Massachusetts, bien qu’il y ait environ 700 sextillions d’étoiles (7 * 10^23) dans la région visible de l’Univers, ce nombre est clairement insuffisant pour couvrir chaque point du ciel observable.
En résumé
En conclusion, la question «pourquoi le ciel est-il noir la nuit ?» reste ouverte. Nous savons que l’expansion de l’Univers, et le décalage vers le rouge qui en résulte, contribue à la diminution du pouvoir d’émission des objets distants, et que des objets tels que la poussière cosmique sur le trajet de la lumière provenant d’étoiles distantes y contribuent également dans une faible mesure. Nous savons également qu’en raison de la contrainte de l’âge de l’Univers, nous ne pouvons observer qu’un nombre limité d’objets, dont la plupart sont inaccessibles à l’œil humain. Cependant, à ce jour, il n’est pas possible de calculer précisément, compte tenu de toutes les données mentionnées, si ces explications sont réellement suffisantes pour résoudre le paradoxe d’Olbers.
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Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023