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UN CIEL NOIRE

Quand on porte son œil à l'oculaire d'un télescope, il n'y a pas une région du ciel aussi petite soit-elle et quel que soit le grossissement que l'on utilise qui ne contienne quelques milliers voire des millions d'étoiles et de galaxies.

N'est-il pas surprenant dès lors que la nuit soit noire ?

Pourquoi la nuit n'est-elle pas aussi claire que le jour ?

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Le phénomène n’à rien avoir avec l'absence de Soleil. Si cette obscure clarté qui tombe des étoiles comme dit Corneille vous paraît néanmoins normale, la réponse vous étonnera. Elle est liée à la cosmologie et plus particulièrement à la découverte de l'expansion de l'Univers par Hubble.

Lorsqu'on observe le ciel et qu'on le sonde sur des distances de quelques milliards d'années-lumière, on peut décompter statistiquement un certain nombre d'objets. De prime abord, ces composants sont en nombre fini. Mais en théorie, si nous avions des instruments plus puissants, nous découvririons de nouveaux objets lumineux.

Mathématiquement exprimé, le nombre d'étoiles dans une sphère donnée uniformément peuplée croit comme le cube de son rayon tandis que leur éclat ne décroît qu'en fonction du carré de la distance. De cette valeur, nous pouvons en déduire facilement que si l'Univers est statique et peuplé uniformément de galaxies, la brillance de chaque surface élémentaire de la voûte céleste croit comme son rayon. Si l'univers est infini, le ciel doit rayonner avec l'éclat du Soleil. Or, la nuit est noire. Comment peut-on expliquer ce paradoxe ?

Histoire

Jusqu'au XVIème siècle, on croyait que les étoiles lointaines étaient trop faibles pour être visibles. Il est vrai que l'intensité de la lumière faiblit d'un facteur 4 chaque fois que la distance double. Cette réponse satisfaisait la logique des astronomes. Pour Kepler à l'inverse, l'Univers était fini et l'espace vide que nous observions entre les étoiles n'était que le mur qui entourait l'Univers. Voyions-nous la sphère de cristal cher à Aristote ?

En 1740 l'astronome suisse Jean-Philippe Loys de Chéseaux  imaginait que l'espace absorbait l'énergie de la lumière. C'est pour cette raison que les étoiles très lointaines n'apparaissaient pas dans le ciel. En 1822 H.Olbers, médecin et astronome à ses temps perdus, repris l'idée de Loys de Chéseaux. Il imaginait qu'une matière froide composée de poussières devait se trouver entre les étoiles, empêchant la lumière des étoiles lointaines de nous parvenir.

Mais ces démonstrations a posteriori n'expliquaient pas ce que devenait l'énergie ainsi absorbée. Il faudra attendre l'avènement des grands télescopes, l'intuition de Hubble et d'Einstein pour retrouver la réelle signification de cette énigme.

capture02-14.jpgBeaucoup d'auteurs contemporains ont écrit que ce phénomène était lié à la vitesse d'éloignement des galaxies et à l'effet Doppler qui tend à assombrir leur lumière (vers le rouge) à grande distance. Or la loi qui lie le phénomène apparent de récession des galaxies à leur distance n'est pas celle de l'effet Doppler mais le facteur d'échelle de l'Univers !

Physique

Suite au phénomène d'expansion de l'Univers. Nous savons que la longueur d'onde d'un signal entre son émission et sa réception varie en fonction du facteur d'échelle de l'univers, autrement dit en fonction de la taille de l'univers entre ces deux époques. Ainsi la distance qui sépare deux crêtes successives d'une onde lumineuse n'était pas identique il y a dix milliards d'année si on la compare à une mesure faite aujourd'hui. Si par exemple l'univers était deux fois plus petit à cette époque, la longueur d'onde de la lumière était également deux fois plus petite. Ainsi depuis l'époque de la recombinaison, quelque 300 000 ans après le Big Bang, les longueurs d'ondes sont devenues 1500 plus grandes, tout comme le rayon de l'Univers visible.

Sachant que la lumière se propage à une vitesse finie, il lui faut un certain temps pour atteindre les régions les plus reculées de l'Univers et inversement, la lumière de ces objets met un certain temps pour atteindre la Terre, temps d'autant plus grand que ces objets sont éloignés. Ainsi la lumière de la galaxie M31 d'Andromède que nous voyons aujourd'hui a été émise il y a... plus de 2 millions d'années !

Dans un Univers en expansion, tous les objets sont situés à une distance qui est une fonction simple du temps. Dès lors, que l'Univers soit fini ou infini les objets très éloignés ont pu atteindre une vitesse égale à celle de la lumière. La théorie de la relativité d'Einstein impose un "horizon" lorsque les objets atteignent la vitesse de la lumière, ils deviennent invisibles car ils sont au-delà de ce que l'on appelle "l'horizon cosmologique", qui correspond à la distance parcourue par la lumière depuis la naissance de l'univers, soit depuis environ 15 milliards d'années. Leur lumière ne peut donc plus nous atteindre.

Une explication simple en considérant uniquement la finitude de la vitesse de la lumière : c'est parce qu'il existe un horizon cosmologique que la nuit est noire malgré le nombre infini d'étoiles. 

On peut également mesurer la faible clarté émise par "le fond du ciel" qui dépend aussi de l'existence de cet horizon cosmologique. Sa luminosité représente 3x108 soleils/Mpc3, grossièrement une étoile de 10 eme magnitude par degré carré du ciel. Toutes ces étoiles et toutes ces galaxies sont donc loin de tapisser toute la voûte céleste. Il reste donc beaucoup d'espace vide qui rendent globalement le ciel noir.

Au début des années 1960, Hermann Bondi, Thomas Gold et Fred Hoyle ont préféré imaginer que le ciel était noir parce que l'expansion de l'univers était compensée par la création continue de matière. C'était la théorie de "l'état stationnaire". Mais elle devint insoutenable le jour où l'on découvrit le rayonnement fossile du corps noir à 2.7 K.

On peut aussi aborder cette énigme d'un point de vue d'équilibre thermodynamique. Le jour où l'Univers pris naissance, "la lumière fut", mais au rythme de l'expansion de l'Univers celle-ci se dégrada pour ne plus être aujourd'hui qu'un faible rayonnement d'environ 2.7 K. Depuis que l'Univers existe, les étoiles brûlent leur combustible nucléaire tandis que la température du rayonnement descend graduellement vers le zéro absolu. Dans plusieurs milliards de milliards d'années peut-être, l'Univers approchera inexorablement de l'équilibre thermodynamique; les étoiles épuisées seront éteintes et l'Univers baignera dans un rayonnement très proche du zéro absolu. Dans ces conditions plus aucune énergie ne permettra d'illuminer le ciel. Aujourd'hui, le rayonnement du corps noir est d'une énergie si faible qu'il lui est impossible d'illuminer le ciel.

Mais si le ciel nous paraît noir, les astronautes nous disent qu'il est plutôt gris. Par ailleurs, observé dans d'autres rayonnements que la lumière blanche, le ciel devient excessivement lumineux, que ce soit aux longueurs d'ondes infrarouge, X ou radio.

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