Pourquoi la nuit est-elle noire?

Il y a assez de matière lumineuse dans l'univers pour éclairer complètement le ciel nocturne de manière plus intense encore que la surface du Soleil. Si l'on additionne tous les photons qui sortent de toutes les étoiles et galaxies ainsi que de l'espace qui les sépare, il y en a assez pour éclairer l'univers en entier. Néanmoins, quand on regarde le ciel nocturne, ce n'est clairement pas le cas. Alors, pourquoi le ciel est-il sombre la nuit ?

Cette question taraude les esprits depuis bien longtemps. On peut remonter jusqu'à Thomas Digges au milieu du XVIe siècle, Johannes Kepler en 1610 et même un peu plus tard avec Edmond Halley au XVIIIe siècle. Curieusement, même l'auteur américain Edgar Allen Poe a anticipé les explications possibles de la noirceur du ciel. Mais ce n'est que vers le XIXe siècle, lorsque l'astronome amateur allemand Heinrich Wilhelm Olbers s'est penché sur la question, que le paradoxe a été rendu célèbre.

 Heinrich Wilhem Olbers

Ce paradoxe est devenu connu, sans surprise, sous le nom de Paradoxe d'Olbers. En termes simples, le paradoxe d'Olbers postule que si l'univers est infini et statique, alors, à n'importe quel angle donné sur Terre, la ligne de visée du regard aboutira nécessairement sur la surface d'une étoile. Un univers infiniment vieux signifie qu'il s'est écoulé suffisamment de temps pour que la lumière de chaque étoile qui a brillé atteigne nos yeux. Quand nous levons les yeux vers le ciel nocturne, il devrait y avoir une étoile partout où l'on regarde, dans chaque morceau de ciel. Pour cette raison, le ciel nocturne tout entier devrait être aussi lumineux que lorsque l'on regarde le Soleil en plein jour.

La raison pour laquelle le ciel est sombre, au lieu d'être un brillant rideau de lumière, s'explique par des observations et des découvertes plus récentes sur notre univers et qui ont été faites depuis l'époque d'Olbers.

Au XIXe siècle, la nature de l'espace-temps et la structure à grande échelle de l'univers n'étaient pas encore comprises. En effet, les astronomes ne savaient même pas qu'il y avait d'autres galaxies que la nôtre, et encore moins qu'elles s'éloignaient toutes les unes des autres. De ce que l'on savait jusqu'au XIXe siècle, il semblait très raisonnable de penser que l'univers était infiniment vieux et immuable, et dans un tel univers, le paradoxe d'Olbers est un vrai problème. Nous savons maintenant, cependant, que l'univers n'est pas infiniment vieux et statique, l'univers a eu un commencement avec le Big Bang. Cela a des implications importantes pour le Paradox d' Olbers. 

L'une des raisons pour lesquelles notre ciel nocturne est sombre réside précisément dans le fait que l'univers a un âge fini, et que par conséquent, de nombreux photons n'ont pas encore eu le temps de nous atteindre. Les photons qui nous sont parvenus sont ceux justement qui se trouvent dans notre univers observable. Il n'en serait pas ainsi si les cieux avaient toujours existé. L'obscurité du ciel nocturne est donc une caractéristique qui suggère que l'Univers n'est pas infini. 

Mais le Big Bang nous présente un autre paradoxe : il affirme que l'univers primitif était inondé de photons. Partout, des photons chauds imprégnaient l'espace-temps. À cette époque de notre histoire, le cosmos était vraiment lumineux. Compte tenu de ces conditions précoces, chaudes et lumineuses, ne devrait-on pas, où que l'on regarde dans le ciel, voir se révéler les vestiges du Big Bang? Ne devrait-il pas y avoir un rideau lumineux derrière chaque étoile et galaxie que nous voyons ? Le fait est que ce rideau de lumière est là, mais le problème et que nos yeux ne le voient pas. En raison de l'expansion de l'univers, les longueurs d'onde de ces photons chauds et précoces ont été étirées plus de 1 100 fois plus longtemps que leurs longueurs d'onde originales. 

La toile de fond énergétique et lumineuse de l'univers primitif est aujourd'hui remplie de photons à micro-ondes relativement froids, invisibles à l'œil humain après avoir été étirés par le tissu en expansion de notre univers pendant plus de 13 milliards d'années. Ce rideau est actuellement imagé par des détecteurs spéciaux, certains sont à bord du télescope spatial Planck, le plus puissant télescope à micro-ondes jamais construit.

Le télescope Planck source: NASA

Il nous donne des vues détaillées de ce qui fut jadis la boule d'énergie la plus brillante jamais connue : le Big Bang.

C'est ce qu'on appelle le rayonnement cosmologique ou le fond diffus cosmologique. "Le fond diffus cosmologique ou FDC (en anglais, Cosmic Microwave Background ou CMB) est le nom donné à un rayonnement électromagnétique très homogène observé dans toutes les directions du ciel et dont le pic d'émission est situé dans le domaine des micro-ondes (microwaves)." Pour plus d'information sur le rayonnement cosmologique, je vous suggère de lire la fiche wikipedia sur le sujet.

En conclusion, Olbers avait raison. Tout comme Digges, Kepler, Halley et Poe. Ils ont longuement réfléchit à l'idée que le ciel nocturne devrait être aussi lumineux que le soleil de midi, et il l'est en fait. Ce qu'ils n'ont pas réalisé, c'est que le ciel nocturne n'est sombre que pour nous. S'ils avaient des yeux sensibles aux micro-ondes, il n'y aurait jamais eu de paradoxe.

Si le ciel vous passionne, découvrez notre Tableau Rayonnement Fossile. Vous pourrez vous laisser aller à imaginez ce que cela serait que de pouvoir observer le rayonnement fossile de vos propres yeux.