Paradoxe d'Olbers
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Le paradoxe d'Olbers est une contradiction apparente entre le fait que le ciel est noir la nuit et le fait que l'univers était supposé statique et infini à l'époque.

Il est nommé ainsi en l'honneur de l'astronome allemand Heinrich Olbers qui le décrivit en 1823 mais qui était déjà connu par Kepler en 1610 ainsi que Halley et Chéseaux au XVIIIe siècle.

Exposé du paradoxe (Un paradoxe est une proposition qui contient ou semble contenir une contradiction logique, ou un raisonnement qui, bien que sans faille apparente, aboutit à une absurdité, ou encore, une situation qui contredit l'intuition...)

Si on suppose un univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) infini (Le mot « infini » (-e, -s ; du latin finitus, « limité »), est un adjectif servant à qualifier quelque chose qui n'a pas de limite en nombre ou en taille.) contenant une infinité d'étoiles uniformément réparties, alors chaque direction d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) devrait aboutir à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) d'une étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la Terre.). La luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) de surface d'une étoile est indépendante de sa distance : ce qui fait qu'une étoile semblable au Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et composée...) est moins brillante que celui-ci, c'est que l'éloignement de l'étoile fait que sa taille apparente est beaucoup plus faible. Donc, dans l'hypothèse où toute direction d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le...) intercepte la surface d'une étoile, le ciel (Le ciel est l'atmosphère de la Terre telle qu'elle est vue depuis le sol de la planète.) nocturne devrait être aussi brillant que la surface d'une étoile moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble...) comme notre soleil ou n'importe quelle autre étoile de notre galaxie (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois au...).

Ce paradoxe est important, une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est...) cosmologique qui ne saurait pas le résoudre serait évidemment invalide. Cependant, une théorie qui résout le paradoxe n'est pas forcément valide.

Solutions proposées avant le XXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération...)

Il est clair que dans sa formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés...) initiale, on faisait implicitement l'hypothèse que les étoiles pouvaient briller indéfiniment. On sait aujourd'hui que c'est faux et que les étoiles ont une durée de vie (La vie est le nom donné :) finie.

Finitude du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ou de l'espace

On peut d'abord supposer, comme Kepler, que l'univers est fini ou du moins qu'il contient un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) fini d'étoiles.

Une autre solution suggérée pour la première fois par l'écrivain et poète Edgar Allan Poe[1] et indépendamment quelques années plus tard par l'astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) français François Arago (François Jean Dominique Arago (26 février 1786, Estagel, Roussillon — 2 octobre 1853, Paris) était un astronome, physicien et homme politique français.) avance le fait que si l'univers a un âge fini, alors la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...) voyageant à une vitesse (On distingue :) grande mais finie, seule une région finie de l'univers nous est accessible, ce qui se ramène à la solution proposée par Kepler.

Non transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la...) de l'espace vis-à-vis des rayonnements

Une autre 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 (des étoiles non-lumineuses, de la poussière ou des gaz), de sorte qu'un observateur ne peut percevoir que la lumière provenant d'une distance finie (comme dans un brouillard). Cette explication ne tient pas la route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir...) car le milieu devrait s'échauffer en absorbant la lumière. Au final, il se retrouverait aussi chaud et aussi lumineux que la surface d'une étoile, ce qui repose le paradoxe.

Structure non uniforme de l'Univers

Le paradoxe suppose une distribution uniforme des étoiles (permettant d'assurer que toute ligne de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) rencontre toujours une étoile).

C'est très loin d'être le cas : les étoiles sont regroupées en galaxies, amas, super-amas, etc.

Cependant, on sait désormais qu'à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les sapeurs-pompiers, et qui emporte une échelle escamotable de grande hauteur. Le terme...), la distribution des galaxies est uniforme, et donc les inhomogénéités dans la distribution locale des étoiles ne pourraient résoudre le paradoxe dans un Univers observable (L'univers observable est un terme utilisé en cosmologie pour décrire la partie visible de notre Univers. Par définition même, la limite de cette...) infini.

Il faut donc supposer soit un Univers fini, soit un Univers infini dont seule une partie finie peut être observée.

L'âge fini des étoiles

Une autre explication consiste à rappeler que la lumière circule à une vitesse finie. Dès lors, si les étoiles n'existent que depuis un temps fini (soit que l'univers soit lui-même d'âge fini, soit que " avant " l'univers ne contenait pas encore d'étoiles), alors une étoile n'éclaire à un moment donné qu'un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) fini (une boule dont le rayon correspond au produit de l'âge de l'étoile par la vitesse de la lumière). Cette explication circulait bien avant la théorie de la relativité (Cet article traite de la théorie de la relativité à travers les âges. En physique, la notion de relativité date de Galilée. Les travaux d'Einstein en ont fait un important champ d'étude, tant théorique...) et la théorie du big bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui la...). Sur la base de cette hypothèse on peut calculer l'âge de l'apparition des étoiles connaissant la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour « célérité », la lumière se manifestant...), la luminosité moyenne des étoiles et la lumière reçue sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus...). Il n'existe cependant aucune théorie viable rendant compte de ces observations.

La solution donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction,...) par la Cosmologie (La cosmologie est la branche de l'astrophysique qui étudie l'Univers en tant que système physique.) moderne

La théorie de la Relativité Générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels...) prédit que l'Univers est en expansion. Par suite il est possible que l'âge de l'univers soit fini, ce qui laisserait penser que l'explication de Poe et Arago est la bonne... mais il n'en est rien.

En effet, c'est un autre effet qui résout le paradoxe d'Olbers. Du fait de l'expansion de l'Univers, la lumière en provenance des galaxies lointaines est décalée vers le rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.). Cela signifie que ces galaxies sont moins lumineuses que ne le seraient les mêmes galaxies situées à la même distance mais immobiles. Ainsi, les galaxies les plus lointaines sont en fait extrêmement difficiles à observer. De ce fait, même si l'Univers était éternel et infini mais en expansion (comme dans la théorie de l'état stationnaire) la brillance de surface des astres les plus lointains décroitrait avec la distance. Le phénomène est également vrai dans les modèles de Big Bang. Cette décroissance rapide de la luminosité des galaxies en fonction du décalage vers le rouge (Le décalage vers le rouge ou redshift est un phénomène astronomique de décalage vers les grandes longueurs d'onde des raies spectrales et de l'ensemble du spectre – ce qui se traduit par un décalage vers le rouge...) est effectivement observée, ce qui résout le paradoxe d'Olbers tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en confirmant cette prédiction de la Relativité Générale.

Métaphoriquement, on pourrait dire que le ciel est effectivement " clair " (de feu) ; mais cette radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par...) est décalée vers le rouge (les basses fréquences) tel que la clarté céleste se situe dans les microondes, d'un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...) à 2,76K (-270,1°C). Et non à 3000 K, température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) moyenne du rayonnement stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la famille des Caryophyllaceae. Il comprend près de 90 espèces réparties à travers le monde.). Le ciel est ainsi plongé dans les ténèbres, en lumière visible.

Ce rayonnement de fond provient non pas des galaxies lointaines superposées, mais du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à...) uniforme primordial lorsqu'il devient transparent vers 3000 K, après 500 000 ans. À cette époque, le Ciel était de Feu ! Il était semblable à la surface d'une étoile. Cela est conforme au scénario du Big Bang.

Notes

  1. Dans Eureka: A Prose Poem (1848).
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