Paradoxe d'Olbers

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Le paradoxe d'Olbers[1] (en anglais : Olbers' paradox[2]), appelé aussi paradoxe de Chéseaux-Olbers ou paradoxe de la nuit noire, est une contradiction apparente entre le fait que le ciel est noir la nuit et le fait que l'Univers était supposé statique et infini à l'époque.

Il est ainsi désigné, à la suite[3] de Cosmology (1952) du cosmologue austro-britannique Hermann Bondi[4], en l'honneur de l'astronome allemand Heinrich Olbers qui le décrivit en 1823[5], mais il était déjà connu par Thomas Digges en 1576[6], par Johannes Kepler en 1610 ainsi que par Halley et Chéseaux au XVIIIe siècle.

Exposé du paradoxe[modifier | modifier le code]

Le paradoxe d'Olbers en action : addition progressive des étoiles.

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 moyenne comme notre Soleil ou n'importe quelle autre étoile de notre Galaxie.

Ce paradoxe est important, une théorie cosmologique qui ne saurait pas le résoudre serait évidemment invalide. Cependant, une théorie qui résout le paradoxe n'est pas forcément valide.

Élaboration progressive du paradoxe[modifier | modifier le code]

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. 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. Il calcule que la limite de visibilité est de l'ordre de 1018 à 1019 années-lumière, et en déduit que la luminosité du ciel nocturne n'est pas infinie mais égale à la luminosité de surface d'une étoile[7].

Article détaillé : Essaim (astronomie).

Solutions proposées avant le XXe siècle[modifier | modifier le code]

Il est clair que dans sa formulation initiale, 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.

Finitude du temps ou de l'espace[modifier | modifier le code]

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.

Une autre solution suggérée pour la première fois par l'écrivain et poète Edgar Allan Poe[8] 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.

Non-transparence de l'espace vis-à-vis des rayonnements[modifier | modifier le code]

Une autre explication consiste à considérer que le milieu cosmique n'est pas parfaitement transparent, de sorte que la lumière provenant des étoiles distantes est bloquée par ce milieu non-transparent (des étoiles non-lumineuses, de la poussière ou des gaz), de sorte qu'un observateur ne peut percevoir que la lumière provenant d'une distance finie (comme dans un brouillard). Cette explication est incorrecte, car le milieu devrait s'échauffer en absorbant la lumière. En fin de compte, il se retrouverait aussi chaud et aussi lumineux que la surface d'une étoile, ce qui pose à nouveau le paradoxe.

Structure non uniforme de l'Univers[modifier | modifier le code]

Le paradoxe suppose une distribution uniforme des étoiles (permettant d'assurer que toute ligne de vue rencontre toujours une étoile).

Ce n'est pas le cas, car les étoiles sont regroupées en galaxies, amas, super-amas, etc. Cependant, on sait désormais qu'à grande échelle, la distribution des galaxies est uniforme, et donc les inhomogénéités dans la distribution locale des étoiles ne pourraient résoudre le paradoxe dans un Univers observable infini.

Il faut donc supposer soit un Univers fini, soit un Univers infini dont seule une partie finie peut être observée.

L'âge fini des étoiles[modifier | modifier le code]

Une autre explication s'appuie sur le fait que la lumière circule à une vitesse finie. Dès lors, si les étoiles n'existent que depuis un temps fini (soit que l'univers soit lui-même d'âge fini, soit que « avant » l'univers ne contenait pas encore d'étoiles), alors une étoile n'éclaire à un moment donné qu'un volume fini (une boule dont le rayon correspond au produit de l'âge de l'étoile par la vitesse de la lumière). Cette explication circulait bien avant la théorie de la relativité et la théorie du Big Bang. L'astronome Kepler comprend que les étoiles brillent car elles sont massives et calcule déjà à son époque leur durée de vie : 30 Ma.[réf. nécessaire]

Sur la base de cette hypothèse, on peut calculer l'âge de l'apparition des étoiles connaissant la vitesse de la lumière, la luminosité moyenne des étoiles et la lumière reçue sur Terre. Il n'existe cependant aucune théorie viable rendant compte de ces observations.

La solution donnée par la cosmologie moderne[modifier | modifier le code]

La théorie de la relativité générale prédit l'instabilité de l'Univers : expansion ou contraction. Par suite, il est possible que l'âge de l'univers soit fini, ce qui laisserait penser que l'explication de Poe et d'Arago est la bonne.

En effet, la cause principale expliquant le paradoxe d'Olbers est l'âge fini de l'univers[9] : la lumière de la plupart des étoiles n'a pas eu le temps de parvenir jusqu'à nous.

Un autre effet donne aussi une explication au paradoxe d'Olbers, mais est mineur par rapport à l'explication principale[9]. Du fait de l'expansion de l'Univers, la lumière en provenance des galaxies lointaines est décalée vers le rouge. Ainsi, le spectre lumineux d'émission de ces galaxies nous apparait comme virant peu à peu dans les fréquences lumineuses que nous ne pouvons plus voir (typiquement les infrarouges). Cela signifie que la lumière provenant de ces galaxies possède moins d'énergie que celle des mêmes galaxies situées à la même distance si l'univers n'était pas en expansion[9]. Ainsi, les galaxies les plus lointaines sont extrêmement difficiles à observer. Même si l'Univers était éternel et infini mais en expansion (comme dans la théorie de l'état stationnaire), la brillance de surface des astres les plus lointains décroîtrait avec la distance. Le phénomène est également vrai dans les modèles de Big Bang. Cette décroissance rapide de la luminosité des galaxies en fonction du décalage vers le rouge est effectivement observée, ce qui aide à la résolution du paradoxe d'Olbers et valide cette prédiction de la relativité générale.

Métaphoriquement, on pourrait dire que le ciel est effectivement « clair » (de feu) ; mais cette radiation est décalée vers le rouge (les basses fréquences) tel que la clarté céleste se situe dans les microondes, d'un rayonnement thermique à 2,76K (-270,1 °C). Et non à 3 000 K, température moyenne du rayonnement stellaire. Le ciel est ainsi plongé dans les ténèbres, en lumière visible.

Ce rayonnement de fond provient non pas des galaxies lointaines superposées, mais du gaz uniforme primordial lorsqu'il devint transparent vers 3 000 K, après ~500 000 ans. À cette époque, le Ciel était de Feu ! Il était semblable à la surface d'une étoile. Cela est conforme au scénario du Big Bang.

Les trois prix Nobel de physique 2011, dont Saul Perlmutter, ont par ailleurs mis en évidence que l'expansion de l'univers allait en accélérant et non en ralentissant, ce qui ne peut qu'accentuer l'effet déjà prévu par la Relativité Générale.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Entrée « paradoxe d'Olbers », dans Richard Taillet, Pascal Febvre et Loïc Villain, Dictionnaire de physique, Bruxelles, De Boeck Université,‎ novembre 2009 [2e éd.] (1re éd. 2008), XII-741 p. (ISBN 978-2-8041-0248-7, OCLC 632092205, notice BnF no FRBNF42122945), p. 403 lire en ligne [html] (consulté le 13 novembre 2014)
  2. (en) Entrée « Olbers' paradox » [html] de l'Oxford Index (OI) de l'Oxford University Press (consulté le 13 novembre 2014)
  3. (en) Edward Harrison, « Olber's paradox in recent times », dans Bruno Bertotti, R. Balbinot, S. Bergia et A. Messina, Modern cosmology in retrospect, Cambridge et New York, Cambridge University Press,‎ 1990 [1re éd.], XX-426 p. (ISBN 0-521-37213-5, OCLC 21975927, notice BnF no FRBNF37375576), part. II. « Riddles of and clues to cosmology », chap.  3, p. 38 lire en ligne [html] (consulté le 13 novembre 2014)
  4. (en) Hermann Bondi, Cosmology, Cambridge, Cambridge University Press, coll. « Cambridge monographs on physics »,‎ 2010 [réimpression de la 2de éd. de 1960] (1re éd. 1952) (ISBN 978-0-521-04281-9 et 978-0-521-14118-5, OCLC 610753314), en particulier p. 21 et s. lire en ligne [html] (consulté le 13 novembre 2014)
  5. (de) Heinrich Olbers, « Ueber die Durchsichtigkeit des Weltraums, vom Hrn. Dr. Olbers in Bremen, unterm 7. Mai 1823 eingesandt », Astronomisches Jahrbuch für das Jahr 1826 nebst einer Sammlung der neuesten in die astronomischen Wissenschaften einschlagenden Abhandlungen, Beobachtungen und Nachrichten, vol. 51,‎ 1823, p. 110-121 (lire en ligne [html])
  6. (en) Peter Zamarovský, Why is it dark at night?: Story of dark night sky paradox, Bloomington, AuthorHouse,‎ 2013, IX-171 p. (ISBN 978-1-491-87879-8, 978-1-491-87880-4 et 978-1-491-87881-1, OCLC 864092757), p. 36-38 lire en ligne [html] (consulté le 13 novembre 2014)
  7. Speaker Icon.svg : Pourquoi la nuit est-elle noire ? émission du 22 novembre 2010 sur Ciel & Espace radio
  8. Dans Eureka: A Prose Poem (1848).
  9. a, b et c J.M. Pasachoff, A. Filippenko The Cosmos, 3e édition, Thomson Brooks/Cole 2007 Paragraphe 18.1 "The Olber's Paradox"

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Edward Harrison ; Le noir de la nuit - Une énigme du cosmos, Collection Points-Sciences, Le Seuil (1998), ISBN 978-2-02-033433-4. Traduction française de : Darkness at Night: A Riddle of the Universe, Harvard University Press (1987).
  • Stephen Baxter ; "Les univers multiples : TEMPS", Édition Fleuve Noir (2007), ISBN 978-2-265-08362-2. Traduction française de "Time". Roman de hard science, il évoque le paradoxe d'Olbers p. 311 et 312.

Voir aussi[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

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