Pourquoi le ciel nocturne est-il noir ?

Rien de plus naturel que le ciel nocturne soit noir. Pourtant, cette observation élémentaire a posé, au XIXème siècle, de grands problèmes aux astronomes.

En 1823, le médecin et astronome amateur autrichien Olbers fit remarquer que le ciel nocturne ne devrait pas être noir, mais au contraire parfaitement éclairé ! Comment Olbers arriva à cette conclusion étrange ?

Pour comprendre son raisonnement faisons une comparaison. Lorsqu’on se trouve au centre d’une grande forêt on voit des arbres dans toutes les directions. Ainsi de manière analogue, si l’univers est infini dans l’espace et le temps et que la répartition des étoiles est homogène, on devrait voir le long de chaque direction où l’on porte son regard un nombre immense d’étoiles ! Toute la voûte céleste devrait être remplie d’étoiles ! Bien sûr il faut corriger ce raisonnement. Car les étoiles éloignées (même si elles sont très grandes) nous paraissent de plus en plus faibles. Mais Olbers montra par un petit calcul simple que même si l’on tient compte du fait que les étoiles éloignées nous paraissent moins lumineuses que celles proches, il devrait tout de même exister une distance finie à partir de laquelle le nombre d’étoile incroyablement grand l’emporte sur la baisse d’éclairement.

Les astronomes ont proposé plusieurs explications pour éviter ce paradoxe. Par exemple il se pourrait que le nombre d’étoiles ne soit pas infini. Elles pourraient alors toutes être localisées au voisinage de la Terre, donc dans une distance plus courte que la distance critique calculée par Olbers. Mais cela pose un nouveau paradoxe ! A cause de la loi de gravitation universelle de Newton, ces étoiles doivent finir par toutes s’attirer et s’accumuler en un seul point de l’espace ! La durée de vie de l’Univers n’a donc pas le droit d’être infini ! En effet cela éviterait que cet entassement d’étoiles ait déjà eut lieu. Mais, si l’Univers n’a pas existé depuis toujours, qu’avait-il avant ?

Bref, les astronomes ne pouvaient pas résoudre le paradoxe posé par Olbers. Ce ne sera qu’au début du siècle passé, lorsque Einstein formula sa théorie de la relativité générale prédisant l’expansion de l’Univers que ce paradoxe put être résout de manière convaincante. En effet, si l’Univers est en expansion les objets lointains s’éloignent de nous. Plus ils sont éloignés, plus ils s’éloignent rapidement (ce fait mut mit en évidence par les observations de l’astronome Hubble). Ainsi, ces objets lointains, par effet Doppler, voient leur rayonnement lumineux décalé vers le rouge et finissent par devenir invisible à notre œil.

Ainsi, par l’observation apparemment banale que le ciel nocturne est noir, nous pouvons voir un des problèmes fondamental de la cosmologie moderne : l’expansion de l’Univers.