Paradoxe de la nuit noire
Il existe des centaines de milliards d'étoiles dans une galaxie, ainsi que des centaines de milliards de galaxie. Avec autant d'étoiles, il devrait faire jour la nuit !
Paradoxe d'Olbers
Luminosité et distance
L'astronome suisse Jean Philippe Loys de Cheseaux calcule la luminosité du ciel en 1743.
Il est malin car au lieu de se peler des infinis, il calcule plutôt combien de couches d'étoiles il faudrait pour avoir une luminosité du même tonneau que le soleil.
- Découpons l'espace en coquilles sphériques (centrées sur la Terre).
- Chaque coquille augmente d'une unité en rayon, toujours la même, autrement dit chaque couche a une épaisseur, par exemple, d'1 année-lumière.
- Le nombre de couches est infini (si l'espace est infini).
- Remarquez que la luminosité diminue comme le carré de la distance.
- Le volume entre deux coquilles croit comme le carré du rayon (4 R²).
En supposant que la densité d'étoiles est constante dans l'univers, on conclut que la quantité de lumière en provenance d'une couche d'étoiles est toujours la même !
Résultat pratique : la quantité de lumière reçue croit vers l'infini.
Il existe donc un nombre de couches qui permet d'atteindre n'importe quelle luminosité, ce que l'on n'observe pas. Cheseaux a parlé de 3 millions de milliards d'années-lumière, et conclut qu'il est possible que le nombre d'étoiles ne soit pas infini, ou qu'un fluide intercepte la lumière...
- [1744] Sur la force de la lumière, sa propagation dans l'Ether, et sur la distance des Etoiles fixes / Traité de la Comète / page 223
Notez que les étoiles elles-même vont faire écran à la lumière, ce qui diminue la quantité reçue. En refaisant le calcul avec cette hypothèse additionnelle, on arrive à la conclusion que le ciel devrait être aussi lumineux que la surface des étoiles. Pas infini, c'est déjà ça.
Explications proposées
Organisation de l'univers
S'il n'y a pas trop d'étoiles (par une infinité), alors on peut supposer que ce ne sont que des points lumineux sur un fond noir. Les étoiles sont suffisamment parsemées, les galaxies, les amas de galaxies, les superamas aussi.
Absorption de la lumière
L'absorption par un fluide, poussières ou autres, ne tient pas longtemps comme réponse car la lumière absorbée sera réémise, certes à une longueur d'onde plus faible, mais l'énergie finira par se propager.
À la rigueur, c'est un début d'explication concernant la partie visible de la lumière.
Manque d'énergie
Si on suppose que la densité de l'univers est de l'ordre d'un atome d'hydrogène par mètre-cube, alors la conversion de toute la masse de l'univers en photons mène à une température de 20 K.
Il n'y a tout simplement pas assez d'énergie dans tout l'univers pour éclairer comme en plein jour.
Durée de vie des étoiles
Si la durée de vie des étoiles est courte (genre millions d'années), alors la lumière aura du mal à arriver d'une distance de 3 millions de milliards d'années-lumière. L'univers visible est inférieur à la limite de visibilité.
À l'époque où cette hypothèse fut émise, on ne connaissait pas le fonctionnement des étoiles, et ce ne sont pas des millions d'années mais une dizaine de milliards d'années en réalité. Ce qui ne change pas le résultat, il n'y aurait tout simplement pas assez d'étoiles proches.
Expansion de l'univers
L'expansion de l'univers se détecte grâce au décalage vers le rouge de la lumière des objets qui s'éloignent, c'est l'effet Doppler.
Alors évidemment, si on ne parle que de lumière visible, celle des étoiles lointaines n'est plus dans le visible...
Âge de l'univers
Le rayonnement cosmologique à 3 K est le résidu du Big Bang, ce qui implique que l'univers a un âge, et qu'on ne risque pas de recevoir un rayonnement plus vieux.
14.5 milliards d'années en l'occurrence (ne chipotez pas). À comparer aux 3 millions de milliards d'années-lumière calculés par Cheseaux.
Ce qui ne veut pas dire que l'univers n'est pas plus grand géométriquement parlant, voyez l'expansion.
Conclusion
Si la nuit est noire, c'est probablement parce que la limite de visibilité est l'âge de l'univers, une quinzaine de milliards d'années, et donc qu'on ne peut pas recevoir de lumière plus lointaine, et qu'en plus la densité d'étoiles n'est pas assez importante, il en faudrait vraiment beaucoup plus.
Le décalage spectral lié à l'expansion de l'univers fait que la lumière des étoiles lointaines n'est plus dans le visible.
Perso, je me demande comment est le ciel d'une planète située dans un amas d'étoiles, comme cela existe dans le bulbe de notre galaxie.
- Pour un récit détaillé de l'histoire de ce paradoxe, vous pouvez consulter Exposé du Professeur Bernard Hauck : Pourquoi le ciel est-il noir la nuit ?
Assez curieusement, la résolution du paradoxe de la nuit noire n'a toujours pas de consensus.