Notes sur le thème de découvrir l'Univers: l'univers non éternel, Notes de Astronomie
Caroline_lez
Caroline_lez9 janvier 2014

Notes sur le thème de découvrir l'Univers: l'univers non éternel, Notes de Astronomie

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Notes d'astronomie sur le thème de découvrir l'Univers: l'univers non éternel. Les principaux thèmes abordés sont les suivants: Un Univers non éternel, Le paradoxe d'Olbers expliqué.
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Un Univers non éternel

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 fortement et, si nous pouvions remonter loin dans le temps, il arriverait un

moment où toutes les galaxies se confondraient.

Cette description est évidemment un peu naïve car elle suppose que les galaxies et leur

environnement ne sont pas affectés 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.

L'Univers dans lequel nous vivons n'a pas toujours existé. Cet instant où toutes les galaxies se

confondent correspond à la naissance de l'Univers, communément qualifiée de Big Bang.

Contrairement à ce que les plus grands physiciens, de Newton à 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 ne dure que depuis

environ 13,7 milliards d'années.

Le paradoxe d'Olbers expliqué

Le fait que l'Univers ait un âge fini apporte un éclairage nouveau sur un problème relativement

ancien d'abord posée 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 ? A première vue, la réponse à cette question est évidente, mais c'est en analysant le

problème plus en détail qu'apparaît le paradoxe.

Imaginez que vous vous trouviez au centre d'une forêt, entouré d'une multitude d'arbres. 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. Mais vous ne pouvez guère continuer très longtemps. 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 ce qu'il y a 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 plus ou moins

uniforme. Ceci n'était 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 la lumière

des corps les plus lointains. Malheureusement, 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.

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 n'a pu

parcourir depuis sa naissance qu'une distance finie, à peu près 13,7 milliards d'années-lumière,

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 13,7

milliards d'années-lumière nous sont inaccessibles et ne contribuent 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 sombres dans la distribution des

galaxies.

Remarquons encore qu'une deuxième explication vient se greffer à 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. Ainsi, même en très grand nombre, les galaxies lointaines sont

incapables d'augmenter de façon significative la luminosité du ciel nocturne.

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