Le début de l’Univers et le paradoxe d’Olbers


L’Univers n’a pas toujours existé

Comme Edwin Hubble l’a découvert au début du siècle dernier, les galaxies s’éloignent les unes des autres et l’Univers est en expansion. Imaginons qu’il soit possible d’inverser le cours des choses et de remonter dans le temps.

Au lieu de s’éloigner, les galaxies se rapprocheraient les unes des autres et l’Univers semblerait être en contraction. La distance moyenne entre les galaxies diminuerait et il arriverait un moment où les galaxies se confondraient. Cette description est évidemment un peu naïve car elle suppose que les galaxies ne sont pas affectées par la contraction, mais elle met en évidence le fait qu’il n’est pas possible de remonter de façon arbitraire dans le passé sans heurter une limite.

Cet instant où les galaxies se confondent correspond à un début de l’Univers. Contrairement à ce que Newton et Einstein pensaient, l’Univers n’est pas invariable dans le temps et n’a pas toujours existé. Au contraire, il possède une histoire que l’on pourrait qualifier de relativement courte puisqu’elle n’a que 13,7 milliards d’années.

Le paradoxe d’Olbers

Le fait que l’Univers a un âge fini apporte un éclairage nouveau sur un problème relativement ancien d’abord posé par Kepler et repris en termes plus précis par Heinrich Olbers en 1826. Ce problème est connu sous le nom de paradoxe d’Olbers et s’énonce ainsi : pourquoi le ciel est-il noir la nuit ?

Imaginez que vous vous trouviez au centre d’une forêt assez dense. Entre les troncs relativement proches, vous pouvez apercevoir des arbres plus éloignés. Entre les interstices laissés par ces derniers, vous pouvez distinguer quelques arbres encore plus lointains, et ainsi de suite. Quelle que soit sa direction, votre regard finit toujours par rencontrer un arbre et vous ne pourrez donc observer ni les limites de la forêt, ni au-delà.

Jusqu’au début du XXe siècle, les astronomes considéraient que la situation était équivalente si l’on considérait les étoiles dans l’Univers. A cette époque, l’Univers était considéré comme statique, éternel, homogène et infini. Avec ces propriétés, les étoiles de l’Univers devaient se comporter comme les arbres de la forêt. Notre regard, peu importe sa direction, finissait toujours par aboutir à une étoile. Tous les points de la voûte céleste devaient donc briller et, par conséquent, le ciel nocturne aurait dû présenter une forte luminosité. Ceci n’est évidemment pas le cas, d’où le paradoxe.

Olbers proposa l’explication suivante au paradoxe en 1826 : le ciel nocturne était noir parce que la matière interstellaire absorbait le rayonnement des étoiles et affaiblissait donc leur lumière. Cependant, comme le stipule la thermodynamique, l’énergie doit toujours se conserver. Ainsi, le rayonnement absorbé par le milieu interstellaire devait être réémis sous une forme ou une autre et l’explication d’Olbers ne tenait pas.

Une autre explication consista à dire que les étoiles n’étaient pas réparties uniformément puisqu’elles se regroupaient dans des galaxies. Mais cette solution n’était pas non plus satisfaisante car le raisonnement menant au paradoxe pouvait très bien s’appliquer aux galaxies elles-mêmes.

Le paradoxe d’Olbers expliqué

C’est en fait dans l’âge fini de l’Univers qu’il faut chercher la solution au paradoxe d’Olbers. En effet, comme l’Univers n’est âgé que d’environ 13,7 milliards d’années, la lumière, dont la vitesse est finie, n’a pu parcourir depuis sa naissance qu’une distance finie et il nous est impossible d’observer des objets plus éloignés que cette valeur maximale.

L’explication du paradoxe devient alors très simple : les galaxies qui sont au-delà de cette limite maximale nous sont inaccessibles et ne contribuent pas à la brillance du ciel. Il reste donc des directions de la voûte étoilée dans lesquelles notre regard ne rencontre absolument rien. Le raisonnement d’Olbers ne tient plus et le paradoxe est levé : le ciel est noir pendant la nuit car il reste un grand nombre d’intervalles vides dans la distribution des galaxies observables.

Remarquons encore qu’une deuxième explication vient se greffer sur la précédente. Du fait de l’ expansion de l’Univers, le rayonnement provenant des galaxies lointaines est affaibli par le décalage vers le rouge. Cela signifie que plus une galaxie est éloignée, plus sa contribution à l’éclat du ciel est faible.


Page mise à jour le 30 août 2017 par Olivier Esslinger