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Accueil du site > 02 - Livre Deux : SCIENCES > Atome : lois de la Physique ou rétroaction de la matière/lumière et du vide (...) > Qu’est-ce que le paradoxe d’Olbers ou pourquoi la nuit est-elle noire (...)

Qu’est-ce que le paradoxe d’Olbers ou pourquoi la nuit est-elle noire ?

samedi 10 décembre 2016, par Robert Paris

Qu’est-ce que le paradoxe d’Olbers ou pourquoi la nuit est-elle noire au lieu d’être complètement éclairée par les étoiles de l’Univers ?

C’est un problème relativement ancien d’abord posé par Kepler et repris en termes plus précis par Heinrich Olbers en 1826.

On peut le formuler ainsi :

« Imaginez que vous vous trouviez au centre d’une forêt assez dense. Entre les troncs relativement proches, vous pouvez apercevoir des arbres plus éloignés. Entre les interstices laissés par ces derniers, vous pouvez distinguer quelques arbres encore plus lointains, et ainsi de suite. Quelle que soit sa direction, votre regard finit toujours par rencontrer un arbre et vous ne pourrez donc observer ni les limites de la forêt, ni au-delà. Jusqu’au début du XXe siècle, les astronomes considéraient que la situation était équivalente si l’on considérait les étoiles dans l’Univers. »

Ou encore ainsi :

« Si on suppose un univers infini contenant une infinité d’étoiles uniformément réparties, alors chaque direction d’observation devrait aboutir à la surface d’une étoile. La luminosité de surface d’une étoile est indépendante de sa distance : ce qui fait qu’une étoile semblable au Soleil est moins brillante que celui-ci, c’est que l’éloignement de l’étoile fait que sa taille apparente est beaucoup plus faible. Donc, dans l’hypothèse où toute direction d’observation intercepte la surface d’une étoile, le ciel nocturne devrait être aussi brillant que la surface d’une étoile. »

L’astronome allemand Johannes Kepler se demandait :

« Si l’univers est infini et s’il contient une infinité d’étoiles, et si toutes les étoiles sont des Soleils, pourquoi la somme de toutes leurs lumières ne dépasse-t-elle pas l’éclat du Soleil ? » En d’autres termes, la nuit éclairée en permanence par les étoiles devrait être aussi lumineuse que le jour. Or elle ne l’est pas. Il s’est du coup révélé que nos conceptions de l’univers devaient non seulement expliquer les étoiles et les galaxies mais aussi expliquer la nuit noire….

On peut d’abord supposer, comme Kepler dans son opuscule de 1610, Conversation avec le messager céleste, que l’univers est fini ou du moins qu’il contient un nombre fini d’étoiles. Mais, si ce nombre est cependant considérable, est-ce qu’on ne devrait pas avoir une vision nocturne plus lumineuse ? Les calculs faits ont laissé entendre qu’effectivement il y avait un gros problème et qu’il fallait une explication plus poussée…

Les solutions n’ont pas fonctionné

Ce paradoxe, qui a suscité maintes réflexions depuis au moins le XVIe siècle, avec notamment Thomas Digges, puis plus tard Philippe Jean de Chéseaux, Edmond Halley et enfin Heinrich Olbers au XIXe siècle, a été résolu intuitivement par le poète Edgar Allan Poe en 1848 qui a pressenti que les étoiles avait un âge fini, et indépendamment par le physicien Lord William Kelvin à la fin du XIXe siècle et publié en 1901.

Olbers proposa l’explication suivante au paradoxe en 1826 : le ciel nocturne était noir parce que la matière interstellaire absorbait le rayonnement des étoiles et affaiblissait donc leur lumière. Cependant, comme le stipule la thermodynamique, l’énergie doit toujours se conserver. Ainsi, le rayonnement absorbé par le milieu interstellaire devait être réémis sous une forme ou une autre et l’explication d’Olbers ne tenait pas.

Une autre explication consista à dire que les étoiles n’étaient pas réparties uniformément puisqu’elles se regroupaient dans des galaxies. Mais cette solution n’était pas non plus satisfaisante car le raisonnement menant au paradoxe pouvait très bien s’appliquer aux galaxies elles-mêmes.

L’astronome allemand Heinrich Olbers qui le décrivit en 1823, mais il avait déjà été énoncé par Thomas Digges en 1576, par Johannes Kepler en 1610 ainsi que par Halley et Chéseaux au XVIIIe siècle.

Halley se dit vers 1720 que si l’univers est infini et rempli d’étoiles éternelles, alors la luminosité du ciel nocturne doit être infinie. Chéseaux précise ce paradoxe mathématiquement : il imagine les étoiles dans des coquilles sphériques (l’univers étant modélisé comme une série de coquilles concentriques) par rapport à un observateur. Le nombre d’étoiles est proportionnel à la surface de chaque coquille, donc au carré de leur rayon. Or, l’intensité lumineuse d’une étoile est inversement proportionnelle au carré de sa distance. Donc l’observateur reçoit autant d’énergie lumineuse de chaque coquille.

Trinh Xuan Thuan expose ainsi dans « La mélodie secrète » :

« La nuit noire signifiait que l’univers n’était pas infini, concluait Kepler. En 1687, quand Newton reprit la thèse de l’univers infini pour éviter que la gravitation universelle ne fasse tout s’effondrer en une grande masse centrale, le problème de la nuit noire fit de nouveau son apparition. L’astronome Heinrich Olbers, reprenant une idée du suisse Jean-Philippe de Cheseaux, suggéra en 1823 que la lumière des étoiles devait être absorbée pendant son voyage dans l’espace. Le ciel était noir parce que la lumière des étoiles ne nous parvenait pas entièrement. Cette explication ne pouvait être la bonne, car tout ce qui était absorbé devait être réémis. »

De Chéseaux calcula que cette énergie lumineuse tombant sur Terre devrait être 180 000 fois plus intense que celle du soleil. Olbers raffine ce raisonnement en constatant que dans un univers rempli uniformément d’étoiles, les étoiles se masquent les unes des autres et en déduit que la luminosité du ciel nocturne ne peut pas être infinie mais au plus égale à la luminosité de surface d’une étoile. On peut de nos jours calculer que cette limite de visibilité serait de l’ordre de 1018 à 1019 années-lumière, c’est-à-dire bien au-delà du rayon de l’Univers observable.

Trinh Xuan Thuannécrit dans « Les voies de la lumière » :

« La réponse qui vient tout de suite à l’esprit est que la brillance des étoiles diminue en fonction inverse du carré de leur distance, ce qui fait que la luminosité des étoiles lointaines est très faible et ne contribue pas à éclairer la nuit. Mais cette explication n’est pas recevable : la brillance des étoiles diminue certes avec leur distance, mais cette diminution est exactement compensée par leur nombre croissant. Plus on regarde loin et plus il y a d’étoiles, leur nombre augmentant comme le carré de la distance (cela vient du fait que la surface d’une sphère centrée sur la Terre croît comme le carré de son rayon). La contribution en lumière d’une couche d’étoiles située à une certaine distance est le produit du nombre d’étoiles à cette distance par leur brillance, c’est-à-dire d’un nombre qui croît avec le carré de la distance par un autre nombre qui décroît avec le carré de la distance. Ce produit est donc constant. En d’autres termes, chaque couche d’étoiles, quelle que soit sa distance, fournit exactement la même quantité de lumière destinée à éclairer le ciel nocturne. Ainsi, dans un uniers qui contient une infinité d’étoiles, où qu’il se tourne, le regard devrait rencontrer une étoile… »

Il est clair que dans la formulation initiale du paradoxe, on faisait implicitement l’hypothèse que les étoiles pouvaient briller indéfiniment. On sait aujourd’hui que c’est faux et que les étoiles ont une durée de vie finie. On a donc pensé que c’est en fait dans l’âge fini de l’Univers qu’il faut chercher la solution au paradoxe d’Olbers. En effet, comme l’Univers n’est âgé que d’environ 13,7 milliards d’années, la lumière, dont la vitesse est finie, n’a pu parcourir depuis sa naissance qu’une distance finie et il nous est impossible d’observer des objets plus éloignés que cette valeur maximale.

L’explication du paradoxe semblait alors très simple : les galaxies qui sont au-delà de cette limite maximale nous sont inaccessibles et ne contribuent pas à la brillance du ciel. Il reste donc des directions de la voûte étoilée dans lesquelles notre regard ne rencontre absolument rien. Le raisonnement d’Olbers ne tient plus et le paradoxe est levé : le ciel est noir pendant la nuit car il reste un grand nombre d’intervalles vides dans la distribution des galaxies observables.

On a cru lever le paradoxe en supposant l’existence d’un gaz remplissant l’univers, et absorbant partiellement la lumière des étoiles. Mais alors, ce gaz réémet de la lumière (loi de la physique) et on retrouve le problème initial.

Une autre solution suggérée pour la première fois par l’écrivain et poète Edgar Allan Poe et indépendamment quelques années plus tard par l’astronome français François Arago avance le fait que si l’univers a un âge fini, alors la lumière voyageant à une vitesse grande mais finie, seule une région finie de l’univers nous est accessible, ce qui se ramène à la solution proposée par Kepler.

En 1848 le poète et écrivain américain Edgar Poe eut en effet une intuition géniale qu’il présenta dans un texte intitulé "Eurêka". Il expliqua le paradoxe de la façon suivante : "La seule manière de rendre compte des vides que trouvent nos télescopes dans d’innombrables directions est de supposer cet arrière-plan invisible placé à une distance si prodigieuse qu’aucun rayon n’ait jamais pu parvenir jusqu’à nous". Edgar Poe s’appuyait sur l’idée que la vitesse de la lumière était finie (ce que Roemer avait déterminé en 1676) et que les étoiles n’étaient pas immortelles.

En effet, dans la théorie actuelle du Big bang, l’univers n’est pas éternel ; il est né il y a 10 à 20 milliards d’années. Les étoiles sont nées progressivement, il y en a encore qui naissent aujourd’hui De plus on sait que la vitesse de la lumière est finie, elle vaut 300 000 kilomètres par seconde.

Alors, la lumière met un certain temps pour venir d’une étoile jusqu’à nous. Par exemple, la lumière de l’étoile la plus proche (à part le soleil), met quatre ans et quatre mois à nous parvenir (on voit donc cette étoile telle qu’elle était il y a quatre ans).

Donc quand on regarde l’univers, on regarde dans le passé !

Plus l’objet regardé est lointain, plus on "remonte" le temps.

L’étoile la plus lointaine qu’on puisse observer est une étoile née peu après le Big Bang, donc éloignée au maximum de 20 milliards d’années lumière de nous.

Cette limite est appelée notre "horizon cosmologique" : on ne peut pas voir plus loin ! Or, pour voir tout le ciel, il faudrait voir plus loin…

"A.Maeder, de l’Observatoire de Genève, a calculé que pour que le ciel nocturne soit aussi brillant que le Soleil, il faudrait soit que la densité des étoiles dans l’espace, soit que la durée de vie moyenne des étoiles, fut de l’ordre de cent milliards de fois plus grande !"

Mais une autre explication est venue se greffer sur la précédente. Du fait de l’expansion de l’Univers, le rayonnement provenant des galaxies lointaines est affaibli par le décalage vers le rouge. Cela signifie que plus une galaxie est éloignée, plus sa contribution à l’éclat du ciel est faible.

La cosmologie moderne est venue apporter une seconde explication au paradoxe d’Olbers : la découverte de l’expansion de l’Univers dans les années 1920 a montré que les astres s’éloignent de nous de plus en plus vite, une accélération qui s’accompagne d’un décalage du rayonnement vers des grandes longueurs d’onde. Comme le pensaient Olbers et de Chéseaux, le ciel est très lumineux, mais pas pour nos yeux.

Il n’en reste pas moins vrai que notre Univers est baigné de rayonnements, au premier lieu desquels le rayonnement fossile. Il existe d’autres rayonnements bien moins intenses, comme le rayonnement extragalactique qui, lui, est dû à la lumière émise par toutes les générations d’étoiles dans les galaxies.

Il est donc permis d’écrire, presque sans ironie, que la nuit n’est pas noire, dans la mesure où, si nos yeux étaient sensibles aux rayonnements infrarouge et micro-onde, ils verraient une nuit brillante de rayonnements cosmologiques. Le paradoxe n’est qu’apparent, car il existe donc bien des domaines de longueur d’onde de lumière pour lesquels la nuit est brillante, mais nos yeux ne le voient pas.

La conclusion (provisoire bien entendu) donnée Fang Lizhi et Li Shuxian dans « La naissance de l’univers » est la suivante :

« Le fait que le ciel soit noir la nuit a pour origine l’expansion de l’Univers… Il existe une preuve directe de cette expansion : il s’agit du phénomène découvert par Hubble de décalage vers le rouge des raies spectrales émises par les galaxies… Il résulte de l’expansion de l’univers que, au-delà d’une distance donnée appelée horizon, on ne peut pas recevoir des photons des étoiles… »

Le traitement (définitif ?) du paradoxe d’Olbers trouve son origine dans un article de Lord Kelvin, « Sur l’éther et la matière gravifique au sein d un espace infini », publié en 1901. Il y montra que selon le modèle standard (victorien) de son époque, la Galaxie contenait bien trop peu d’étoiles pour couvrir le ciel entier. Mais il alla plus loin, et prouva que, même si les étoiles s’étendaient à l’infini dans l’espace, remplissant tout l’Univers, les étoiles visibles ne pourraient aucunement recouvrir le ciel.

Malheureusement, l’article de Kelvin reçut peu d’attention à son époque, et fut pratiquement ignoré jusqu’à sa redécouverte par le cosmologiste Edward Harrison en 1985.

E. R. Harrison expose que « Le ciel n’est pas inondé de lumière parce qu’il n’est pas possible que toutes les étoiles de l’univers brillent simultanément. Dix milliards d’années peut être considéré comme la durée de vie typique d’une étoile. Quoique ce temps semble très long, il ne l’est pas en comparaison du million de milliard de milliard d’années qu’il faudrait d’existence des étoiles pour exister simultanément et remplir les vides… »

Lire « Le noir de la nuit », E.Harrison, collection points Sciences seuil n° 123

Qu’est-ce que le paradoxe d’Olbers ou pourquoi la nuit est-elle noire au lieu d’être complètement éclairée par les étoiles de l’Univers ?

C’est un problème relativement ancien d’abord posé par Kepler et repris en termes plus précis par Heinrich Olbers en 1826.

On peut le formuler ainsi :

« Imaginez que vous vous trouviez au centre d’une forêt assez dense. Entre les troncs relativement proches, vous pouvez apercevoir des arbres plus éloignés. Entre les interstices laissés par ces derniers, vous pouvez distinguer quelques arbres encore plus lointains, et ainsi de suite. Quelle que soit sa direction, votre regard finit toujours par rencontrer un arbre et vous ne pourrez donc observer ni les limites de la forêt, ni au-delà. Jusqu’au début du XXe siècle, les astronomes considéraient que la situation était équivalente si l’on considérait les étoiles dans l’Univers. »

Ou encore ainsi :

« Si on suppose un univers infini contenant une infinité d’étoiles uniformément réparties, alors chaque direction d’observation devrait aboutir à la surface d’une étoile. La luminosité de surface d’une étoile est indépendante de sa distance : ce qui fait qu’une étoile semblable au Soleil est moins brillante que celui-ci, c’est que l’éloignement de l’étoile fait que sa taille apparente est beaucoup plus faible. Donc, dans l’hypothèse où toute direction d’observation intercepte la surface d’une étoile, le ciel nocturne devrait être aussi brillant que la surface d’une étoile. »

L’astronome allemand Johannes Kepler se demandait :

« Si l’univers est infini et s’il contient une infinité d’étoiles, et si toutes les étoiles sont des Soleils, pourquoi la somme de toutes leurs lumières ne dépasse-t-elle pas l’éclat du Soleil ? » En d’autres termes, la nuit éclairée en permanence par les étoiles devrait être aussi lumineuse que le jour. Or elle ne l’est pas. Il s’est du coup révélé que nos conceptions de l’univers devaient non seulement expliquer les étoiles et les galaxies mais aussi expliquer la nuit noire….

On peut d’abord supposer, comme Kepler dans son opuscule de 1610, Conversation avec le messager céleste, que l’univers est fini ou du moins qu’il contient un nombre fini d’étoiles. Mais, si ce nombre est cependant considérable, est-ce qu’on ne devrait pas avoir une vision nocturne plus lumineuse ? Les calculs faits ont laissé entendre qu’effectivement il y avait un gros problème et qu’il fallait une explication plus poussée…

Les solutions n’ont pas fonctionné

Ce paradoxe, qui a suscité maintes réflexions depuis au moins le XVIe siècle, avec notamment Thomas Digges, puis plus tard Philippe Jean de Chéseaux, Edmond Halley et enfin Heinrich Olbers au XIXe siècle, a été résolu intuitivement par le poète Edgar Allan Poe en 1848 qui a pressenti que les étoiles avait un âge fini, et indépendamment par le physicien Lord William Kelvin à la fin du XIXe siècle et publié en 1901.

Olbers proposa l’explication suivante au paradoxe en 1826 : le ciel nocturne était noir parce que la matière interstellaire absorbait le rayonnement des étoiles et affaiblissait donc leur lumière. Cependant, comme le stipule la thermodynamique, l’énergie doit toujours se conserver. Ainsi, le rayonnement absorbé par le milieu interstellaire devait être réémis sous une forme ou une autre et l’explication d’Olbers ne tenait pas.

Une autre explication consista à dire que les étoiles n’étaient pas réparties uniformément puisqu’elles se regroupaient dans des galaxies. Mais cette solution n’était pas non plus satisfaisante car le raisonnement menant au paradoxe pouvait très bien s’appliquer aux galaxies elles-mêmes.

L’astronome allemand Heinrich Olbers qui le décrivit en 1823, mais il avait déjà été énoncé par Thomas Digges en 1576, par Johannes Kepler en 1610 ainsi que par Halley et Chéseaux au XVIIIe siècle.

Halley se dit vers 1720 que si l’univers est infini et rempli d’étoiles éternelles, alors la luminosité du ciel nocturne doit être infinie. Chéseaux précise ce paradoxe mathématiquement : il imagine les étoiles dans des coquilles sphériques (l’univers étant modélisé comme une série de coquilles concentriques) par rapport à un observateur. Le nombre d’étoiles est proportionnel à la surface de chaque coquille, donc au carré de leur rayon. Or, l’intensité lumineuse d’une étoile est inversement proportionnelle au carré de sa distance. Donc l’observateur reçoit autant d’énergie lumineuse de chaque coquille.

Trinh Xuan Thuan expose ainsi dans « La mélodie secrète » :

« La nuit noire signifiait que l’univers n’était pas infini, concluait Kepler. En 1687, quand Newton reprit la thèse de l’univers infini pour éviter que la gravitation universelle ne fasse tout s’effondrer en une grande masse centrale, le problème de la nuit noire fit de nouveau son apparition. L’astronome Heinrich Olbers, reprenant une idée du suisse Jean-Philippe de Cheseaux, suggéra en 1823 que la lumière des étoiles devait être absorbée pendant son voyage dans l’espace. Le ciel était noir parce que la lumière des étoiles ne nous parvenait pas entièrement. Cette explication ne pouvait être la bonne, car tout ce qui était absorbé devait être réémis. »

De Chéseaux calcula que cette énergie lumineuse tombant sur Terre devrait être 180 000 fois plus intense que celle du soleil. Olbers raffine ce raisonnement en constatant que dans un univers rempli uniformément d’étoiles, les étoiles se masquent les unes des autres et en déduit que la luminosité du ciel nocturne ne peut pas être infinie mais au plus égale à la luminosité de surface d’une étoile. On peut de nos jours calculer que cette limite de visibilité serait de l’ordre de 1018 à 1019 années-lumière, c’est-à-dire bien au-delà du rayon de l’Univers observable.

Trinh Xuan Thuannécrit dans « Les voies de la lumière » :

« La réponse qui vient tout de suite à l’esprit est que la brillance des étoiles diminue en fonction inverse du carré de leur distance, ce qui fait que la luminosité des étoiles lointaines est très faible et ne contribue pas à éclairer la nuit. Mais cette explication n’est pas recevable : la brillance des étoiles diminue certes avec leur distance, mais cette diminution est exactement compensée par leur nombre croissant. Plus on regarde loin et plus il y a d’étoiles, leur nombre augmentant comme le carré de la distance (cela vient du fait que la surface d’une sphère centrée sur la Terre croît comme le carré de son rayon). La contribution en lumière d’une couche d’étoiles située à une certaine distance est le produit du nombre d’étoiles à cette distance par leur brillance, c’est-à-dire d’un nombre qui croît avec le carré de la distance par un autre nombre qui décroît avec le carré de la distance. Ce produit est donc constant. En d’autres termes, chaque couche d’étoiles, quelle que soit sa distance, fournit exactement la même quantité de lumière destinée à éclairer le ciel nocturne. Ainsi, dans un uniers qui contient une infinité d’étoiles, où qu’il se tourne, le regard devrait rencontrer une étoile… »

Il est clair que dans la formulation initiale du paradoxe, on faisait implicitement l’hypothèse que les étoiles pouvaient briller indéfiniment. On sait aujourd’hui que c’est faux et que les étoiles ont une durée de vie finie. On a donc pensé que c’est en fait dans l’âge fini de l’Univers qu’il faut chercher la solution au paradoxe d’Olbers. En effet, comme l’Univers n’est âgé que d’environ 13,7 milliards d’années, la lumière, dont la vitesse est finie, n’a pu parcourir depuis sa naissance qu’une distance finie et il nous est impossible d’observer des objets plus éloignés que cette valeur maximale.

L’explication du paradoxe semblait alors très simple : les galaxies qui sont au-delà de cette limite maximale nous sont inaccessibles et ne contribuent pas à la brillance du ciel. Il reste donc des directions de la voûte étoilée dans lesquelles notre regard ne rencontre absolument rien. Le raisonnement d’Olbers ne tient plus et le paradoxe est levé : le ciel est noir pendant la nuit car il reste un grand nombre d’intervalles vides dans la distribution des galaxies observables.

On a cru lever le paradoxe en supposant l’existence d’un gaz remplissant l’univers, et absorbant partiellement la lumière des étoiles. Mais alors, ce gaz réémet de la lumière (loi de la physique) et on retrouve le problème initial.

Une autre solution suggérée pour la première fois par l’écrivain et poète Edgar Allan Poe et indépendamment quelques années plus tard par l’astronome français François Arago avance le fait que si l’univers a un âge fini, alors la lumière voyageant à une vitesse grande mais finie, seule une région finie de l’univers nous est accessible, ce qui se ramène à la solution proposée par Kepler.

En 1848 le poète et écrivain américain Edgar Poe eut en effet une intuition géniale qu’il présenta dans un texte intitulé "Eurêka". Il expliqua le paradoxe de la façon suivante : "La seule manière de rendre compte des vides que trouvent nos télescopes dans d’innombrables directions est de supposer cet arrière-plan invisible placé à une distance si prodigieuse qu’aucun rayon n’ait jamais pu parvenir jusqu’à nous". Edgar Poe s’appuyait sur l’idée que la vitesse de la lumière était finie (ce que Roemer avait déterminé en 1676) et que les étoiles n’étaient pas immortelles.

En effet, dans la théorie actuelle du Big bang, l’univers n’est pas éternel ; il est né il y a 10 à 20 milliards d’années. Les étoiles sont nées progressivement, il y en a encore qui naissent aujourd’hui De plus on sait que la vitesse de la lumière est finie, elle vaut 300 000 kilomètres par seconde.

Alors, la lumière met un certain temps pour venir d’une étoile jusqu’à nous. Par exemple, la lumière de l’étoile la plus proche (à part le soleil), met quatre ans et quatre mois à nous parvenir (on voit donc cette étoile telle qu’elle était il y a quatre ans).

Donc quand on regarde l’univers, on regarde dans le passé !

Plus l’objet regardé est lointain, plus on "remonte" le temps.

L’étoile la plus lointaine qu’on puisse observer est une étoile née peu après le Big Bang, donc éloignée au maximum de 20 milliards d’années lumière de nous.

Cette limite est appelée notre "horizon cosmologique" : on ne peut pas voir plus loin ! Or, pour voir tout le ciel, il faudrait voir plus loin…

"A.Maeder, de l’Observatoire de Genève, a calculé que pour que le ciel nocturne soit aussi brillant que le Soleil, il faudrait soit que la densité des étoiles dans l’espace, soit que la durée de vie moyenne des étoiles, fut de l’ordre de cent milliards de fois plus grande !"

Mais une autre explication est venue se greffer sur la précédente. Du fait de l’expansion de l’Univers, le rayonnement provenant des galaxies lointaines est affaibli par le décalage vers le rouge. Cela signifie que plus une galaxie est éloignée, plus sa contribution à l’éclat du ciel est faible.

La cosmologie moderne est venue apporter une seconde explication au paradoxe d’Olbers : la découverte de l’expansion de l’Univers dans les années 1920 a montré que les astres s’éloignent de nous de plus en plus vite, une accélération qui s’accompagne d’un décalage du rayonnement vers des grandes longueurs d’onde. Comme le pensaient Olbers et de Chéseaux, le ciel est très lumineux, mais pas pour nos yeux.

Il n’en reste pas moins vrai que notre Univers est baigné de rayonnements, au premier lieu desquels le rayonnement fossile. Il existe d’autres rayonnements bien moins intenses, comme le rayonnement extragalactique qui, lui, est dû à la lumière émise par toutes les générations d’étoiles dans les galaxies.

Il est donc permis d’écrire, presque sans ironie, que la nuit n’est pas noire, dans la mesure où, si nos yeux étaient sensibles aux rayonnements infrarouge et micro-onde, ils verraient une nuit brillante de rayonnements cosmologiques. Le paradoxe n’est qu’apparent, car il existe donc bien des domaines de longueur d’onde de lumière pour lesquels la nuit est brillante, mais nos yeux ne le voient pas.

La conclusion (provisoire bien entendu) donnée Fang Lizhi et Li Shuxian dans « La naissance de l’univers » est la suivante :

« Le fait que le ciel soit noir la nuit a pour origine l’expansion de l’Univers… Il existe une preuve directe de cette expansion : il s’agit du phénomène découvert par Hubble de décalage vers le rouge des raies spectrales émises par les galaxies… Il résulte de l’expansion de l’univers que, au-delà d’une distance donnée appelée horizon, on ne peut pas recevoir des photons des étoiles… »

Le traitement (définitif ?) du paradoxe d’Olbers trouve son origine dans un article de Lord Kelvin, « Sur l’éther et la matière gravifique au sein d un espace infini », publié en 1901. Il y montra que selon le modèle standard (victorien) de son époque, la Galaxie contenait bien trop peu d’étoiles pour couvrir le ciel entier. Mais il alla plus loin, et prouva que, même si les étoiles s’étendaient à l’infini dans l’espace, remplissant tout l’Univers, les étoiles visibles ne pourraient aucunement recouvrir le ciel.

Malheureusement, l’article de Kelvin reçut peu d’attention à son époque, et fut pratiquement ignoré jusqu’à sa redécouverte par le cosmologiste Edward Harrison en 1985.

E. R. Harrison expose que « Le ciel n’est pas inondé de lumière parce qu’il n’est pas possible que toutes les étoiles de l’univers brillent simultanément. Dix milliards d’années peut être considéré comme la durée de vie typique d’une étoile. Quoique ce temps semble très long, il ne l’est pas en comparaison du million de milliard de milliard d’années qu’il faudrait d’existence des étoiles pour exister simultanément et remplir les vides… »

Lire « Le noir de la nuit », E.Harrison, collection points Sciences seuil n° 123

Mais cela ne signifie pas que la question soit close.

D’autres explications, de nature différente, ont également été données, en particulier par Benoît Mandelbrot sans son ouvrage sur Les objets fractals (1976, div. réed.). Pour cet auteur, il suffit que la distribution des étoiles ne soit pas uniforme, mais hiérarchisée de telle sorte qu’elle répondent aux critères qui définissent les objets mathématiques qu’il décrit, pour que le paradoxe puisse être levé. Une perspective tout à fait compatible avec les conceptions actuelles du mode de hiérarchisation des grandes structures cosmiques.

On ajoutera que depuis 1998, l’analyse des données recueillies par le télescope spatial infrarouge ISO a donné une nouvelle jeunesse à la question évoquée ici. On s’est en effet rendu compte à cette occasion que le paradoxe d’Olbers devait être reformulé pour tenir compte aussi de la contribution (importante) de l’énergie que rayonnent dans l’infrarouge les poussières chauffées par les premières étoiles...

L’existence d’immenses bulles de vide dans l’espace est également évoquée comme explication : voir ici

Certains auteurs ont montré que le paradoxe d’Olbers était symbolique du fait que la science ne cesse de rediscuter ses explications

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