Pourquoi le ciel est-il noir la nuit ?
― Avec tant d'étoiles, il devrait être éblouissant
« Parce que le Soleil s'est couché. » C'est une demi-réponse. L'Univers contient un nombre incalculable d'étoiles semblables au Soleil. Si elles s'étendaient à l'infini, le ciel nocturne brillerait partout comme la surface du Soleil. S'il est noir, c'est en réalité la preuve que l'Univers a eu un « commencement ».
Une nuit de camping, vous éteignez les lumières et levez les yeux. Les étoiles sont innombrables. Un enfant dit : « Il y en a vraiment beaucoup ! »
Un peu plus tard, il demande : « Les étoiles, c'est comme le Soleil, non ? Alors pourquoi il fait noir la nuit ? » Vous répondez : « Parce que le Soleil s'est couché. » Il réplique : « Mais il y a plein d'étoiles ! »
Cette question n'est pas une maladresse d'enfant. C'est une vraie énigme, qui a tourmenté les astronomes pendant plus de 200 ans.
Le ciel est noir pour deux raisons seulement
L'Univers n'existe que depuis environ 13,8 milliards d'années. La vitesse de la lumière est limitée : la lumière venue de plus loin n'a pas encore atteint la Terre. Notre champ de vision s'arrête avant que le « mur » de lumière stellaire ait pu se former.
L'Univers continue de s'étendre. Plus la lumière vient de loin, plus ses ondes s'étirent pendant le voyage : elle s'affaiblit, rougit, puis devient invisible. Dans cette lumière invisible, le ciel nocturne brille aujourd'hui encore de partout.
Voyons d'abord pourquoi on a cru que le ciel nocturne « devrait être éblouissant ». Une fois cela compris, le ciel noir devient soudain très étrange.
Les étoiles lointaines sont faibles, mais plus nombreuses
Plus une étoile est loin, plus elle paraît faible. À distance double, sa luminosité est divisée par quatre, car la lumière se répartit dans toutes les directions et se dilue. On pourrait donc croire que les étoiles lointaines comptent peu.
Regardez pourtant la figure 1. Imaginons des « coquilles » vides de même épaisseur, empilées autour de la Terre. Une coquille deux fois plus lointaine a une surface quatre fois plus grande. Si les étoiles sont réparties avec la même densité, elle en contient aussi quatre fois plus.
Chaque étoile est quatre fois plus faible, mais quatre fois plus nombreuse. Au total, chaque coquille nous envoie la même quantité de lumière. Comme les coquilles s'empilent à l'infini jusqu'au bout de l'Univers, la lumière s'additionne sans fin.
En réalité, les étoiles proches cachent les lointaines, et le total n'est pas infini. Mais dans toutes les directions, notre regard finirait tôt ou tard par rencontrer la surface d'une étoile. Le ciel serait donc entièrement couvert de surfaces solaires, sans le moindre interstice. Jour et nuit, tout le ciel aurait l'éclat de la surface du Soleil, à environ 6000 °C.
Première réponse : la lumière n'est pas encore arrivée
Ce calcul repose sur une hypothèse cachée : « l'Univers est infiniment vieux, et la lumière de n'importe quelle distance est déjà arrivée ».
Or l'Univers réel a un commencement, il y a environ 13,8 milliards d'années. La lumière ne parcourt qu'une année-lumière par an. Nous ne pouvons donc voir que ce que la lumière a pu parcourir en 13,8 milliards d'années. Au-delà, il y a peut-être des étoiles, mais leur lumière est encore en chemin.
Jusqu'où faudrait-il voir pour que le ciel soit rempli d'étoiles ? Le calcul, dans la section repliable, donne environ 2 × 10¹⁶ années-lumière (20 millions de milliards). C'est plus d'un million de fois la portée de notre vue sur l'Univers.
Déplacez le curseur de la figure 2. Quand on allonge la distance visible, la part du ciel couverte d'étoiles augmente. À la position de l'Univers actuel, la plus grande partie du ciel reste vide entre les étoiles. Le ciel nocturne s'est arrêté en cours de route, avant que le mur de lumière stellaire soit achevé.
Seconde réponse : la lumière arrivée est devenue invisible
Depuis sa naissance, l'Univers ne cesse de s'étendre. La lumière des galaxies lointaines est étirée avec l'espace pendant son voyage. Quand ses ondes s'allongent, sa couleur glisse vers le rouge et l'énergie qu'elle transporte diminue.
La lumière la plus lointaine que nous recevons a été émise par un gaz chaud et brillant, peu après la naissance de l'Univers. C'était alors une lumière éblouissante, de plusieurs milliers de °C. Elle a été étirée environ 1000 fois. Aujourd'hui, c'est une onde radio invisible qui nous arrive de toutes les directions du ciel.
Le ciel nocturne brille donc bel et bien partout. Mais cette lumière a été étirée jusqu'à une couleur que l'œil ne voit pas. On estime qu'une partie des parasites (la « neige ») d'un vieux téléviseur vient de ces ondes radio.
Ce problème porte le nom d'Olbers, médecin et astronome allemand qui l'a discuté en 1823. En 1848, l'écrivain américain Edgar Allan Poe a avancé, dans son poème en prose Eureka, que les espaces noirs s'expliquaient peut-être parce que la lumière n'était pas encore arrivée. En 1901, le physicien Lord Kelvin est parvenu à la même conclusion en calculant à partir du nombre et de la durée de vie des étoiles.
Il y a un autre point de vue. Une étoile comme le Soleil ne brille que pendant environ 10 milliards d'années. Même si l'Univers était infiniment vieux, les étoiles s'éteignent et d'autres naissent. Elles ne pourraient pas émettre sans fin assez de lumière pour remplir le ciel.
En résumé
Si les étoiles s'étendaient à l'infini, le ciel nocturne serait éblouissant partout. Il ne l'est pas, parce que l'Univers a un commencement et que la lumière lointaine n'est pas encore arrivée. De plus, la lumière arrivée a été étirée par l'expansion de l'Univers : c'est devenu une onde radio invisible.
Si la nuit est noire, ce n'est pas seulement parce que le Soleil s'est couché.
C'est parce que l'Univers est encore jeune.
Pourquoi on ne voit pas les étoiles en plein jour : « Pourquoi ne voit-on pas les étoiles en plein jour ? ». Comment une étoile peut briller des milliards d'années : « Pourquoi une étoile peut-elle briller pendant des milliards d'années ? ».
- Par une nuit claire, placez un tube de papier toilette devant un œil et regardez une petite portion du ciel.
- Comptez les étoiles visibles dans le tube. Essayez en ville, puis dans un endroit peu éclairé.
- Même quand il y a plus d'étoiles, constatez que les vides noirs entre elles sont bien plus grands.
Plus l'endroit est sombre, plus on voit d'étoiles, mais le ciel n'est jamais rempli d'étoiles. Au-delà de ces vides, il y a l'Univers que la lumière n'a pas encore atteint. Si vous sortez la nuit, faites attention où vous marchez et à la circulation, et restez accompagné d'un adulte.
Pour aller plus loin ― termes, formules et lien avec les manuelsLe niveau de chaque passage est indiqué, du collège aux cours universitaires spécialisés
- CollègeCe qui s'apprend en sciences au collège
- LycéeCe qui s'apprend au lycée, en sciences de la Terre et de l'Univers ou en physique
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Cours universitaires spécialisés (astrophysique, cosmologie), non vus au lycée
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient en ce moment, même pas enseignées comme acquises à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Paradoxe d'Olbers : la contradiction selon laquelle, si les étoiles étaient réparties uniformément à l'infini, le ciel nocturne devrait être lumineux partout. Il porte ce nom car Olbers l'a discuté en 1823.
- Année-lumière : distance parcourue par la lumière en un an, soit environ 9 500 milliards de kilomètres.
- Fond diffus cosmologique : lumière des débuts de l'Univers, étirée, qui nous parvient de tout le ciel sous forme d'ondes radio (micro-ondes).
CollègeLycéeVérifier par une formule : à quelle distance le regard rencontre-t-il une étoile ?
On calcule la distance moyenne que parcourt un regard dirigé vers un point du ciel avant de rencontrer la surface d'une étoile. Si cette distance est plus courte que la portée de notre vue sur l'Univers, le ciel est rempli d'étoiles ; si elle est plus longue, des vides subsistent.
| En symboles | L ＝ 1 ÷ ( n × π × R² ) |
| En mots | distance moyenne avant de heurter une étoile ＝ 1 ÷ (densité d'étoiles × surface de la « cible » d'une étoile) |
| D'où vient-elle ? | Si l'on voit le regard comme un tube d'une certaine épaisseur, il rencontre une étoile quand un tube de longueur L en contient exactement une. La condition est : volume du tube π × R² × L, multiplié par la densité n, égale 1. |
| Symbole | Sens et unité |
|---|---|
| L | Distance moyenne avant que le regard heurte une étoile (années-lumière) |
| n | Densité d'étoiles (nombre d'étoiles par année-lumière cube) |
| R | Rayon d'une étoile (années-lumière). Ici, le même que celui du Soleil |
| π | Pi (environ 3,14) |
| Rayon du Soleil | environ 700 000 km (7 × 10⁵ km) |
| 1 année-lumière | environ 9 500 milliards de km (9,5 × 10¹² km) |
| Densité d'étoiles près du Soleil | environ 0,003 étoile par année-lumière cube |
| Âge de l'Univers | environ 13,8 milliards d'années (distance parcourue par la lumière : environ 1,38 × 10¹⁰ années-lumière) |
| Rayon de l'étoile en années-lumière | (7 × 10⁵) ÷ (9,5 × 10¹²) ≒ 7,4 × 10⁻⁸ |
| Carré du rayon | 7,4 × 10⁻⁸ × 7,4 × 10⁻⁸ ≒ 5,5 × 10⁻¹⁵ |
| Surface de la « cible » d'une étoile | 3,14 × 5,5 × 10⁻¹⁵ ≒ 1,7 × 10⁻¹⁴ |
| Densité × surface de la cible | 0,003 × 1,7 × 10⁻¹⁴ ≒ 5,1 × 10⁻¹⁷ |
| Distance moyenne L avant de heurter une étoile | 1 ÷ (5,1 × 10⁻¹⁷) ≒ 2,0 × 10¹⁶ |
| Combien de fois la portée de notre vue ? | (2,0 × 10¹⁶) ÷ (1,38 × 10¹⁰) ≒ 1,45 × 10⁶ |
L vaut environ 2 × 10¹⁶ années-lumière, soit environ 1,45 million de fois la portée de notre vue sur l'Univers. Et cette valeur suppose des étoiles aussi serrées qu'au voisinage du Soleil. Dans l'Univers réel, l'espace entre les galaxies est presque vide : L est donc encore plus grande, de plusieurs ordres de grandeur.
| Portée visible ÷ L (ordre de grandeur de la part du ciel couverte d'étoiles) | (1,38 × 10¹⁰) ÷ (2,0 × 10¹⁶) ≒ 6,9 × 10⁻⁷ |
Le calcul indique qu'environ un millionième du ciel seulement est couvert par des surfaces d'étoiles. La position initiale de la figure 2 montre cette valeur. Dans un stade comble de 50 000 sièges, cela reviendrait à 0,03 siège occupé.
LycéeLycée+Loi en inverse du carré de la distance et décalage vers le rouge
LycéeLa luminosité à la distance r d'une source est inversement proportionnelle à r², car la lumière se répartit sur une sphère de rayon r (loi en inverse du carré). En revanche, le nombre d'étoiles dans une couche de même épaisseur est proportionnel à l'aire de la sphère, donc à r². Les deux effets s'annulent, et la lumière de chaque couche est constante, quelle que soit la distance. La figure 1 illustre cette relation.
Lycée+Le phénomène par lequel l'expansion de l'Univers allonge la longueur d'onde de la lumière lointaine s'appelle le décalage cosmologique vers le rouge. Le fond diffus cosmologique est la lumière d'un gaz à environ 3000 kelvins, étirée environ 1100 fois ; on l'observe aujourd'hui comme un rayonnement de corps noir d'environ 2,7 kelvins.
Univ.Sa place en cosmologie
Dans les cours d'introduction à la cosmologie, le paradoxe d'Olbers sert d'indice contre un Univers « stationnaire et infiniment vieux ». Selon l'interprétation actuelle, la cause principale est l'âge fini de l'Univers (l'« horizon des particules », limite de la région dont la lumière peut nous parvenir, est fini) ; l'effet du décalage vers le rouge dû à l'expansion est secondaire. C'est le cosmologiste Edward Harrison qui l'a montré de façon quantitative. Il a aussi montré que l'énergie totale qu'une étoile peut émettre au cours de sa vie ne suffit pas à remplir le ciel. Mathématiquement, on obtient la luminosité du fond de lumière à partir des équations de Friedmann, qui décrivent l'expansion, et d'une intégration de la lumière le long de la ligne de visée.
📖 Démonstrations et suite : Wikipédia « Paradoxe d'Olbers » (en japonais) ／ Wikipédia « Fond diffus cosmologique » (en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Quelle est vraiment l'obscurité des « vides » de l'Univers ? La sonde New Horizons a mesuré l'obscurité du ciel très loin du Soleil. Le résultat publié est plus lumineux que ce que prévoient les galaxies connues, et la cause est encore débattue.
- Quand les premières étoiles se sont-elles allumées ? La lumière des premières étoiles et galaxies doit subsister dans tout le ciel sous forme de fond infrarouge. Des observations continuent pour en mesurer précisément la quantité.
- Que devient l'Univers au-delà de la portée de notre vue ? On ne sait pas quelle est l'étendue de la région que la lumière n'a pas encore atteinte, ni si elle est infinie.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Mesurer avec précision l'obscurité du ciel nocturne reste l'une des méthodes pour étudier l'histoire de l'Univers.
Lien avec les manuels (par niveau)
| Niveau | Matière et chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences « La Terre et l'Univers » (étoiles, galaxies) | Les étoiles sont des astres comme le Soleil ; année-lumière |
| Lycée | Physique « La lumière » ; sciences de la Terre « Structure de l'Univers » | Loi en inverse du carré de la distance, figure 1 |
| Lycée+ | Sciences de la Terre « Expansion de l'Univers et Big Bang » | Décalage vers le rouge, fond diffus cosmologique |
| Univ. | Astrophysique, cosmologie | Horizon des particules, équations de Friedmann, argument de Harrison |
| Recherche | Cosmologie observationnelle | Mesure de la luminosité du fond de lumière cosmique |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Quand on lève les yeux, l'obscurité même des vides raconte l'âge de l'Univers |
- Edward Harrison, Darkness at Night: A Riddle of the Universe, Harvard University Press, 1987
- Lord Kelvin, On Ether and Gravitational Matter through Infinite Space, Philosophical Magazine, 1901
- Wikipédia en japonais, « Paradoxe d'Olbers »
- Wikipédia en japonais, « Fond diffus cosmologique »
- National Astronomical Observatory of Japan (国立天文台), dir., Rika Nenpyō (理科年表, « Tables chronologiques scientifiques »), Maruzen Publishing (丸善出版) (densité des étoiles, rayon du Soleil, valeur de l'année-lumière)
※ Cet article est une explication scientifique grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations destinés à faire comprendre le mécanisme. La densité d'étoiles est une hypothèse qui applique la valeur du voisinage du Soleil à tout l'Univers ; la moyenne de l'Univers réel serait bien plus faible.