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POURQUOI LE CIEL EST-IL NOIR ?
DEUX MODÈLES COSMOLOGIQUES QUI EN DONNENT UNE EXPLICATION
Les théories physiques et donc les modèles d'univers qu'elles proposent sont des
créations artistiques basées, comme toutes les autres formes artistiques, sur
l'expérience de l'humanité en la matière tout en étant le fruit de l'imagination individuelle
de leurs auteurs. J'entends illustrer ce propos en comparant deux modèles
cosmologiques fondés sur l'expérience commune du noir du ciel nocturne d'une part et
d'autre part de la constatation de l'existence du poids. Ces modèles sont pourtant
différents et même opposés parce que produits par deux auteurs différents.
PREMIÈRE PARTIE
L’IMMENSITÉ DE L'UNIVERS
Cette question nécessite d’essayer de concevoir l’immensité de l’univers. Pour cela on
peut partir par des agrandissements qui vont de 100 000 en 100 000.
Par exemple une pièce de 10 mètres, multipliée par 100 000, nous arrivons à la
grandeur de la France (1000 kilomètres ou 3 msl).
Si je multiplie la longueur de la France par 100 000, j’obtiens la distance de la Terre ou
plutôt de Vénus au soleil (500 sl – 100 millions de kilomètres)
Si je multiplie la distance de la terre au soleil par 100 000, j’obtiens la taille du système
solaire (1 al) 1 al = 10 millions de millions de kilomètres).
Si je multiplie la taille du système solaire par 100 000, j’obtiens la taille de notre
galaxie (100 0000 al).
Si je multiplie la taille de notre galaxie par 100 000, j’obtiens la taille de notre univers
visible (10 Gal.).
Suite à des observations astronomiques on est capable de dire que notre galaxie
contient 150 à 200 milliards d’étoiles (qui sont comme notre soleil quant à leur quantité de
matière). Dans notre galaxie la distance des étoiles entre elles sont de deux ou trois fois le
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système solaire.
Les galaxies ne sont pas uniformément distribuées dans l’Univers, elles sont
regroupées en amas qui peuvent contenir plusieurs dizaines et même centaines de
galaxies. On peut donner un autre ordre d’idées de la taille de l’Univers : si on réduisait
chacune de ces galaxies à la taille d’une abeille, l’ensemble de l’univers visible serait un
essaim de quelques kilomètres de diamètre.
Voici un autre moyen pour prendre la mesure des distances dans l’Univers : les
missions Apollo mettaient trois jours pour aller sur la lune. Si on envisageait une mission
sur l’étoile la plus proche avec un engin semblable, qui est le plus puissant que l’on puisse
produire aujourd’hui, il faudrait 600 000 ans pour y aller. Notre galaxie est 25 000 fois plus
grande que cette distance.
DEUXIEME PARTIE
POURQUOI LE CIEL EST-IL NOIR ?
Partons de cette question très simple qui ne semble pas, à première vue, être de grande
importance pour la cosmologie. La constatation que le ciel nocturne est noir fait partie de
notre expérience quotidienne ; elle nous dit que la Terre tourne sur elle-même avec une
période de 24 heures et que la partie de sa surface opposée au Soleil est obscure : il y fait
nuit. N'est-ce pas une réponse suffisante à notre question ? Non, cette réponse ne nous
satisfait pas parce que nous savons aujourd'hui que à condition de monter suffisamment
haut dans le ciel, comme font les astronautes, le ciel est noir même en présence du soleil.
Mais déjà pour Heinrich Olbers, médecin et astronome allemand contemporain de
Napoléon, l'absence du soleil ne suffisait pas à justifier le noir du ciel nocturne. En 1826 il
effectua un calcul dont le résultat était tellement surprenant qu'il fallut aux astronomes plus
d'un siècle pour trouver où était la faille dans son raisonnement. Parce que, suivant son
calcul, le ciel aurait dû être extrêmement brillant à toute heure du jour et de la nuit.Voici
son calcul connu comme le paradoxe de Olbers.
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LE PARADOXE DE OLBERS
En plus du Soleil il y a dans le ciel un très grand nombres d'étoiles. Naturellement la
lumière que nous recevons d'une étoile typique est très très petite puisque l'étoile est très
lointaine. Mais- pensait Olbers- leur nombre est tellement élevé que la luminosité totale du
ciel aurait pu se révéler être importante. Il décida donc d'en effectuer le calcul s'appuyant
sur un raisonnement simple.
Imaginons l'Univers infini et uniformément rempli d'étoiles toutes comme notre Soleil.
Dans ce cas le nombre d'étoiles par couche augmente avec sa surface, c'est-à-dire avec
le carré de son rayon ; mais la luminosité d'une source diminue, elle, avec le carré du
rayon. Donc la luminosité totale de chaque couche est la même, c'est-à-dire qu'elle est
indépendante de sa distance.
La partie finale du raisonnement de Olbers s'en suit aisément. Puisque on peut répéter le
même raisonnement pour tout observateur où qu'il soit dans l'Univers on peut donc
considérer que notre raisonnement a une validité générale ; nous venons de voir que
chaque couche apporte la même contribution de luminosité à l'observateur, mais le
nombre de ces couches est évidemment infini. Il s'en suit que la luminosité totale de
toutes les étoiles de l'univers est aussi infinie. C'était ça la conclusion logique surprenante
et paradoxale à laquelle était arrivé Olbers sur la base de ses hypothèses initiales : que le
ciel aurait dû être infiniment brillant la nuit comme le jour !
QU'EST-CE QUI FAIT ÉCRAN?
Mais la nuit le ciel est noir. Il y a donc quelque chose qui ne va pas dans cette estimation.
Mais où se cache l'erreur ?
Si on regarde de plus près le raisonnement de Olbers on peut en effet soulever quelques
objections ; parce qu'il est évident que si la lumière reçue est beaucoup moins que celle
envoyée c'est qu'une partie est interceptée en route, ou alors que le total effectivement
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envoyé est bien moindre de ce qu'on croyait.
Or les étoiles ne sont pas de sources punctiformes mais des objets de taille finie. Et donc
quand on remplit d'étoiles les couches successives il finira par arriver un moment où elles
rempliront complètement le ciel visible. Un peu comme notre vue est bloquée dans une
forêt par les arbres plus lointains qui ne nous permettent pas de voir ce qu'il y a au-delà.
La luminosité serait ainsi finie et non infinie. Mais ce n'est pas si simple : en effet, nous
pouvons calculer cette luminosité finie et le résultat est que chaque point de l'Univers
devrait être à une température de l'ordre de celle existante à la surface du Soleil (autour
de 8000 °C…).
Nous voila donc arrivés à nouveau à une solution impossible.
Et s'il y avait autre chose pour faire écran, comme par exemple des nuages de poussière?
Là encore cela nous aiderait pas beaucoup parce qu'après un certain temps cette matière,
non lumineuse au début, finirait par le devenir et émettrait autant de lumière qu'elle
absorbe et donc ne pourrait diminuer la luminosité totale que temporairement.
Reste la possibilité que la lumière totale envoyée soit moins que celle du calcul précédent
qui prévoit un univers homogène et isotrope. Or l'isotropie est un fait d'observation, alors
que l'homogénéité n'est qu'une hypothèse, raisonnable certes, mais impossible à
confirmer.
Et si l'apport de chaque couche n'était pas le même ?
S'il allait s'estompant avec la distance contrairement à notre hypothèse implicite ?
C'est surprenant, mais c'est pourtant, nous allons le voir, précisément ce qui se passe à
cause du fait que l'univers n'est pas statique et que la géométrie qui y est en vigueur n'est
pas celle que nous appliquons communément et avec succès dans notre environnement
proche, c'est à dire à l'intérieur du système solaire et même dans notre galaxie, voire dans
le Groupe Local.
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SOLUTIONS SPÉCULATIVES
Par le passé les astronomes ont proposé plusieurs autres possibles solutions à notre
paradoxe.
La première est la possibilité que l'univers ne soit pas infini, comme le pensait Olbers,
mais fini. Cela voudrait dire que nous devrions arrêter notre série de couches à une
certaine distance au-delà de laquelle il n'y a plus rien. Cette distance devrait être égale au
moins à la portée de nos plus grands télescopes. Parce que si loin que nous pouvons voir
à présent il n'y a pas de limite aux sources lumineuses jusqu'à la distance de quelque dix
milliards d'années lumière que nous sommes capables d'atteindre aujourd'hui. Si c'était
comme ça on obtiendrait bien une solution du paradoxe, parce que la contribution totale
des sources jusqu'à cette distance est en effet tout à fait négligeable par rapport à la
lumière que nous recevons du Soleil.
La deuxième est que les étoiles que nous pouvons ou pourrions voir sont nées autrefois il
fut un temps dans le passé. Supposons par exemple que l'univers lui-même soit né il y a
dix milliards d'années. Alors aujourd'hui nous ne pourrions recevoir que la lumière des
étoiles qui étaient distantes de nous de dix milliards d'années-lumière tout au plus à
l'émission, pour la bonne raison que la lumière des étoiles qui existent au-delà de cette
limite n'a pas eu le temps d'arriver jusqu'à nous.
Une ultérieure solution du paradoxe serait de tenir compte que les étoiles de chaque
couche n'existent que pour un temps fini. Elles ne peuvent pas briller pour toujours. Nous
ne pouvons donc pas nous attendre à trouver des étoiles en train de briller dans toutes les
couches pour toujours. Cela aussi réduit de facto la contribution de ces couches au total
de la luminosité reçue.
Mais tous ces arguments ont une caractéristique insatisfaisante. En effet si l'Univers est
infiniment vieux il ne devrait plus rester d'étoiles qui brillent encore et d'autre part
l'hypothèse que l'Univers soit lui aussi né un jour, soulève toute une série de questions
conceptuelles et philosophiques comme le fait aussi l'hypothèse que l'Univers soit
d'extension finie.
Et de toute façon ce ne sont là que des spéculations ! Mais Olbers dans son calcul n'avait
pas tenu compte d'un élément d'information essentielle, et pour cause : il n'était pas connu
à son époque. Nous allons donc nous intéresser à ce renseignement crucial sur l'univers
qui lui manquait. Et sur lequel toute la cosmologie moderne est fondée.
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