Le paradoxe d’Olbers

par Jean Marie Champeau 4 Août 2022, 02:00 curiosité

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L'Univers contient tellement d'étoiles uniformément réparties, que le ciel nocturne devrait être aussi brillant et non noir.

 

Pourtant ce n’est pas le cas, c’est le paradoxe d’Olbers(*).

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(*) Ce paradoxe est important, une théorie cosmologique qui ne saurait pas le résoudre serait invalide.

Cependant, une théorie qui résout le paradoxe n'est pas forcément valide.

 

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Le paradoxe

 

 

Le paradoxe d'Olbers appelé aussi paradoxe de Cheseaux-Olbers ou paradoxe de la nuit noire, est une contradiction apparente entre le fait que le ciel est noir pendant la nuit et l'hypothèse que l'Univers est infini contenant une infinité d'étoiles uniformément réparties.

 

Le paradoxe a été baptisé par le cosmologue anglo-autrichien Hermann Bondi en l'honneur de l'astronome allemand Heinrich Olbers

 

Cette question s'est posée dès Kepler, au 16e siècle, qui se servait de cet argument pour réfuter la théorie d'un Univers infini de Giordano Bruno. 

 

Halley s'empare de cette question vers 1720 et la formule de la manière suivante : si l'univers est infini et rempli d'étoiles éternelles, alors la luminosité du ciel nocturne doit être infinie.

 

Le mathématicien suisse Jean Philippe Loys de Cheseaux précise ce paradoxe mathématiquement en 1746. 

 

Il imagine les étoiles dans des coquilles sphériques 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 Cheseaux calcula que cette énergie lumineuse tombant sur Terre devrait être 180 000 fois plus intense que celle du Soleil.

 

En 1823, 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.

 

Tentatives d’explications


Une 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, comme des étoiles non-lumineuses, de la poussière ou des gaz. 


Ainsi 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.

 


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 hétérogénéités dans la distribution locale des étoiles ne pourraient résoudre le paradoxe dans un Univers observable infini.

 


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, alors une étoile n'éclaire à un moment donné qu'un volume fini, une sphère de lumière dont le rayon correspond au produit de l'âge de l'étoile par la vitesse de la lumière.

 

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.

 

Explication actuelle

 


La résolution de ce paradoxe tient dans le fait que l'hypothèse d'un Univers statique, homogène et infini est fausse selon différentes théories de la cosmologie moderne. 

 

Dans sa formulation initiale, il était fait clairement et implicitement l'hypothèse que les étoiles pouvaient briller indéfiniment. 

 

La théorie de la relativité générale décrit l'instabilité de l'Univers : expansion ou contraction. 

 

La cause principale expliquant le paradoxe d'Olbers est l'âge fini de l'univers : la lumière de la plupart des étoiles, qui ont une durée de vie finie, 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. 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 apparaît comme virant peu à peu dans les fréquences lumineuses que nous ne pouvons plus voir c’est à dire les infrarouges.

 

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.

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