Pourquoi le ciel est-il sombre la nuit ?

De notre point de vue ici dans le système solaire, il est absolument intuitif de savoir pourquoi nous voyons ce que nous voyons le jour par rapport à la nuit. Pendant la journée, la lumière du soleil inonde notre atmosphère dans toutes les directions, la lumière du soleil directe et réfléchie nous arrivant de partout où nous pouvons voir. La nuit, la lumière du soleil n’inonde pas l’atmosphère, et il fait donc noir partout dans le ciel où il n’y a pas de point lumineux, comme une étoile, une planète ou la Lune.

Mais vous pourriez commencer à vous demander un peu plus profondément que cela. Si l’Univers est infini, notre ligne de visée ne devrait-elle pas finir par rencontrer une étoile, quelle que soit la direction dans laquelle on regarde ? Étant donné qu’il existe des trillions de galaxies et que les télescopes sont capables de voir les plus faibles que nos yeux ne peuvent pas voir, pourquoi la lumière de toutes ces galaxies combinées n’illumine-t-elle pas chaque point du ciel ? Ce n’est pas une question facile à répondre, mais la science est à la hauteur du défi.

C’est une énigme qui trouble les scientifiques depuis des siècles. Si vous y réfléchissez profondément, cela pourrait même ne pas avoir de sens pour vous. Oui, il est vrai que notre atmosphère, ici sur Terre, est largement transparente à la lumière visible, ce qui nous permet de voir dans les vastes abysses de l’espace profond la nuit. Notre position dans la galaxie signifie que seul le plan galactique est obscurci par les poussières et les gaz de premier plan qui bloquent la lumière de la région centrale de la Voie lactée.

Mais en dehors de cela, vous pourriez vous attendre à voir de la lumière dans toutes les directions et à chaque endroit où vous étiez capable de regarder. Après tout, si l’Univers est vraiment infini, alors le vide de l’espace profond se prolonge à l’infini. Dans toutes les directions que vous pouvez imaginer, votre ligne de visée finira par rencontrer un point lumineux.

Si cela était vrai, alors le ciel nocturne ne serait pas du tout sombre, mais serait éclairé par chaque étoile dont le chemin lumineux a fait le long voyage vers la Terre.

Pourtant, même lorsque nous regardons au plus profond de ce qui semble être l’espace vide, où aucune étoile ou galaxie ne peut être vue par les yeux humains ou même par les télescopes conventionnels, nos observatoires les plus puissants révèlent tant de choses qui sont là, mais ce ne sont encore que quelques points de lumière sur la toile de fond noire de l’espace vide.

Oui, l’Univers est plein d’étoiles et de galaxies. Oui, ils sont à des distances énormes : des millions, des milliards, voire des dizaines de milliards d’années-lumière. La lumière des étoiles voyage à travers l’Univers et atteint nos meilleurs équipements d’observation, révélant un Univers riche et d’une étendue énorme. Mais l’énorme, quelle que soit sa taille, est très, très loin de l’infini.

Scientifiquement, le jury ne sait toujours pas si l’Univers est fini ou infini ; nous ne le savons tout simplement pas. Ce que nous savons, en revanche, c’est que la partie de l’Univers qui nous est observable doit être finie. Même si nous ne savions pratiquement rien de la structure à grande échelle de l’Univers jusqu’à la seconde moitié du 20e siècle, nous savions toujours qu’un Univers observable infiniment grand était tout simplement impossible.

Dans les années 1800, Heinrich Olbers a pris note d’un paradoxe mathématique. Si vous aviez un Univers infini avec une densité constante d’étoiles et/ou de galaxies, alors vous finiriez par voir une quantité infinie de lumière de toutes les directions dans lesquelles vous regarderiez. Vous verriez toutes les étoiles proches, puis dans les espaces entre les étoiles, vous verriez des étoiles plus éloignées. Dans les espaces entre ces étoiles, vous verriez encore plus d’étoiles qui sont à une distance plus grande. Quelle que soit la distance qui les sépare – des millions, des milliards, des trillions, des quadrillions d’années-lumière, etc. – finalement, où que vous regardiez, vous tombiez sur une étoile.

Pensez-y mathématiquement, si vous voulez. Si la densité du nombre d’étoiles est constante dans tout l’espace, alors le nombre total d’étoiles que vous trouverez est égal à la densité stellaire multipliée par le volume de l’Univers. Plus une étoile est éloignée, plus elle apparaît faible : sa luminosité diminue comme l’inverse de la distance au carré (~1/r2).

Mais le nombre total d’étoiles que vous pouvez voir à une distance donnée est lié à la surface d’une sphère, qui augmente avec le carré de la distance. (La formule pour la surface d’une sphère est 4πr2.) Multipliez le nombre d’étoiles par la luminosité de chaque étoile, et vous obtenez une constante. La luminosité à une certaine distance est une valeur particulière : appelons-la B. Deux fois plus loin, cette luminosité est également B. Trois fois ? Toujours B. Quatre ? Encore B.

Maintenant, additionnez cette série : B + B + B + B + ….. et ainsi de suite. Voyez-vous où cela mène ? La réponse, malheureusement, est vers l’infini. À moins qu’il n’y ait une coupure à cette série, vous obtiendrez une valeur infinie pour la luminosité du ciel nocturne dans toutes les directions.

Au 19e siècle, Olbers a utilisé ce raisonnement pour conclure que l’Univers observable ne pouvait pas être infini, mais il ne pouvait pas en être sûr. Après tout, il y avait d’autres préoccupations astronomiques. L’une des objections les plus courantes était que cette analyse naïve ne tenait pas compte de toute la poussière qui bloquait la lumière et qui était clairement présente, et que l’on pouvait voir simplement en regardant le plan de la Voie lactée. Même de nos jours, beaucoup de nos sites astronomiques les plus célèbres sont remplis de poussière bloquant la lumière.

Dans un Univers fini, cette poussière peut concurrencer la lumière des étoiles, car la lumière visible qui frappe la poussière est absorbée et ré-émise à des énergies plus faibles. Mais si l’Univers était vraiment infini, le problème du paradoxe d’Olbers se manifesterait pour chaque grain de poussière existant : chaque grain devrait absorber une quantité infinie de lumière stellaire, jusqu’à ce que lui aussi rayonne à la même température de toute la lumière qu’il a absorbée !

En d’autres termes, quelque chose clochait. Notre Univers ne pouvait pas être statique, infini, et rempli d’étoiles qui brillaient éternellement. Si c’était le cas, le ciel nocturne serait éternellement lumineux, en tous lieux et dans toutes les directions. Il est clair que quelque chose d’autre est à l’œuvre ici.

Le fait qui nous sauve, qu’Olbers n’avait aucun moyen de savoir à son époque, n’est pas que l’Univers n’est pas d’une étendue infinie (il pourrait toujours l’être), mais qu’il ne remonte pas, dans sa forme actuelle, sur une durée infinie. L’Univers que nous habitons aujourd’hui a eu un début : un jour sans hier. Ce début est connu sous le nom de Big Bang, qui met une ligne de départ pour toute la matière, le rayonnement, l’énergie et la lumière qui existent éventuellement dans l’Univers observable.

L’Univers n’existe pas depuis toujours, et nous ne pouvons donc observer que des étoiles et des galaxies qui sont à une distance spécifique et finie. Par conséquent, nous ne pouvons recevoir d’elles qu’une quantité finie de lumière, de chaleur et d’énergie, et il ne peut y avoir une quantité arbitrairement grande de lumière dans notre ciel nocturne.

Mais cela fait apparaître une autre pièce du puzzle. Si l’Univers était chaud et dense et plein de matière et de rayonnement à un moment donné, comme le prétend le Big Bang, alors ce rayonnement du début devrait finir par arriver jusqu’à nos yeux. Partout où nous regardons, dans toutes les directions, il ne devrait pas y avoir d’échappatoire à ce rayonnement.

En fait, sur la base des observations modernes, nous pouvons calculer combien de photons restants du Big Bang remplissent l’Univers aujourd’hui, et la réponse est 411 d’entre eux pour chaque centimètre cube d’espace. Si vous vous demandez pourquoi nous ne le détectons pas, la réponse est que nous le faisons, et que nous le faisons tout le temps. Si vous preniez une télévision très ancienne, équipée d’une antenne en forme d’oreille de lapin, pour vous rendre dans les profondeurs de l’espace intergalactique, loin de toute source radio stellaire ou terrestre, vous pourriez la régler sur le canal 3. Vous verriez encore environ 1 % de la « neige » que vous voyez sur Terre ; c’est le rayonnement du Big Bang.

Le fait est que nous recevons bien cette lumière du Big Bang, et qu’on la retrouve partout dans le ciel de manière inévitable. La seule raison pour laquelle vous ne la voyez pas à l’œil nu est que l’Univers s’est étendu au cours de l’histoire cosmique, et donc cette lumière autrefois visible est maintenant décalée vers des longueurs d’onde si grandes que vos yeux ne peuvent pas les voir, votre peau ne peut pas les sentir, et votre corps ne peut pas la détecter.

Mais vos antennes micro-ondes et radio peuvent les capter. En fait, c’est ainsi que ce rayonnement a été découvert pour la première fois, et que le Big Bang a été confirmé : avec une antenne radio géante qui a capté ce signal, quels que soient le moment et l’endroit où les scientifiques qui l’exploitaient regardaient. Si nos yeux s’étaient adaptés pour voir les micro-ondes ou la lumière radio, nous verrions, en fait, un ciel nocturne uniformément lumineux dans toutes les directions, sans aucune tache sombre nulle part.

Il faut deux faits, réunis, pour expliquer pourquoi le ciel nocturne est sombre. Le premier est que l’Univers n’existe que depuis un temps fini, ce qui limite l’étendue et la quantité du rayonnement qui nous est actuellement observable. La seconde est que nous ne pouvons voir la lumière que dans une partie limitée du spectre électromagnétique : la portion optique.

Si nous pouvions, au contraire, voir le ciel en lumière micro-onde, le ciel apparaîtrait lumineux dans toutes les directions et à tout moment. Il est un peu ironique, quand on y pense, que ce ne sont que nos limites très humaines qui ont fait que le ciel nocturne semblait être un endroit intéressant à explorer. Aujourd’hui, nous avons construit des satellites conçus pour mesurer ce rayonnement de manière exquise, et ils nous en ont appris bien plus sur l’origine et les propriétés de notre Univers que ce que nous n’aurions jamais pu apprendre en utilisant nos seuls sens limités. Le ciel nocturne peut nous sembler sombre, mais la lumière qui est toujours là nous a appris la résolution ultime de ce paradoxe cosmique.