Pourquoi la nuit est-elle si sombre ?

Exposé du Professeur Bernard Hauck.
Cette question naïve qu’en apparence, n’est jamais posée lors d’une visite publique d’un  observatoire. Et pourtant c’est une question  fondamentale dont la réponse implique la  connaissance du modèle d’Univers dans lequel nous vivons.
Le premier à réaliser le caractère paradoxal de la noirceur du ciel nocturne est Jean Philippe Loys de Cheseaux, astronome vaudois né en 1718. Petit-fils de Jean-Pierre de Crousaz, philosophe et professeur en mathématiques à l’Académie, Loys de Cheseaux découvre en décembre 1743 une comète à six queues. Utilisant pour la première fois dans un tel cas la mécanique de Newton, il en prédit la trajectoire dans un traité publié en 1744 à Lausanne et Genève.
Loys de Cheseaux fut également le premier à estimer correctement la distance des étoiles proches. S’intéressant à divers sujets de mathématiques et de physique, il est aussi l’auteur d’une note intitulée «Probabilités sur la longueur de la vie humaine». Très tôt ses travaux sont connus à l’étranger et il sera membre correspondant de l’Académie des Sciences de Paris et de celle de Saint-Pétersbourg, membre des sociétés savantes de Gottingen et de Stockholm, enfin membre de la Société royale de Londres. Malheureusement de santé précaire, il meurt en 1751, âgé de 33 ans seulement.
C’est dans un appendice du Traité de la Comète que Loys de Cheseaux s’intéresse à la noirceur du ciel nocturne. Supposant que l’Univers est infini et peuplé de façon homogène d’étoiles, Loys de Cheseaux démontre grâce à un calcul fort simple que l’éclat du ciel nocturne doit être infini, et il écrit:
«De là, il suit que si l’espace étoilé est infini, chaque point du Ciel nous paraîtrait aussi lumineux qu’un point de Soleil de même grandeur apparente. »
Loys de Cheseaux ne renonce pas à l’idée d’un univers infini et pour concilier ses calculs et le fait que le ciel nocturne est sombre, il suppose l’existence de matière absorbante entre les étoiles, hypothèse erronée, car chauffée par le rayonnement stellaire, cette matière rayonnerait à son tour! Le texte de Loys de Cheseaux passa malheureusement inaperçu, ou presque, et le paradoxe du ciel nocturne fut reformulé en 1823 par Olbers, un astronome allemand, et c’est généralement sous le nom d’Olbers qu’il est connu.

L’hypothèse de Loys de Cheseaux, nous venons de le voir, n’est pas acceptable, alors qu’elle est la bonne réponse à la question « Pourquoi le ciel est-il noir la nuit ? »

La littérature astronomique est très riche à ce sujet et Loys de Cheseaux n’est de loin pas le seul à donner une réponse inacceptable maintenant. En fait, cette question n’est pas banale et relève de la cosmologie. Aussi, avant d’indiquer la réponse qui me semble aujourd’hui la meilleure, parcourons rapidement notre Univers et son histoire.

En voyageant à la vitesse de la lumière, soit 300 000 km/sec., nous quittons le système solaire après quelque cinq heures et ce n’est qu’après quatre ans et quatre mois que nous croisons l’étoile la plus proche ! Nous traversons pendant près de cent mille ans notre galaxie, vaste ensemble constitué d’étoiles, d’amas d’étoiles et de nuages de matière interstellaire. Au passage, admirons certains de ces objets, dont l’amas des Pléiades, situé à 400 années lumière (al), puis deux nuages de matière interstellaire découverts en 1746 par Loys de Cheseaux, situé à 2000 al et dont la masse est 60 000 fois celle du Soleil. Nous quittons notre galaxie pour nous enfoncer dans l’espace intergalactique et rencontrer, après deux millions d’années, la galaxie voisine de la nôtre.
Poursuivant notre route nous nous apercevons que les galaxies sont fort nombreuses et qu’elles forment des amas de galaxies. Avec les moyens d’observation actuels, nous pouvons explorer l’Univers pendant quinze milliards d’années !
L’astronome américain Hubble montra en 1929 que plus une galaxie est éloignée, plus elle s’éloigne rapidement de nous. Ceci nous permet de dire que l’Univers est en expansion. En 1965, la découverte du rayonnement cosmologique à 3 K par Penzias et Wilson permit de confirmer l’hypothèse émise quelque vingt ans auparavant par Gamow, à savoir que le début de l’Univers a été marqué par une explosion primordiale ou «Big Bang». Comprendre ce qui s’est passé dans les tout premiers instants de l’Univers est du domaine du physicien, plus particulièrement du physicien des particules.

Nous distinguons quatre phases importantes dans l’histoire de l’Univers. Les particules les plus massives se sont formées au cours de la première, dont la durée fut très courte, puisqu’elle se termina 10-4 sec. après le début de l’Univers, les particules légères lors de la seconde, qui s’étendit entre 10-4 sec. et 5 sec., tandis qu’au cours de la troisième, incomparablement plus longue car elle dura jusqu’à un demi-million d’années après l’explosion, la matière était totalement ionisée et, par là, formait un écran pour les photons, rendant ainsi l’Univers opaque. A la fin de cette période, l’Univers s’est nettement refroidi, sa température n’étant que de 3000 K et il y eut un brusque passage de la matière de l’état ionisé à l’état neutre, ce qui marque le début de la quatrième phase. L’Univers devint transparent, les galaxies puis les étoiles commencèrent à se former. Nous sommes toujours dans cette phase, mais la température de l’Univers n’est plus que de 3 K (-270°C !).
Le fait qu’il ait existé un «Big Bang» nous indique que l’Univers est né: il y a donc une histoire et un âge. Cet âge peut être déduit des observations des objets les plus vieux que nous connaissons, les amas globulaires, et les meilleures estimations nous indiquent 18 milliards d’années.

Si aujourd’hui nous sommes à même de parler de l’histoire de l’Univers, c’est grâce aux importants moyens de recherche dont disposent les astronomes et les physiciens. Ces moyens nous les trouvons seulement dans de grands centres tels le CERN, I’ESO et l’Agence spatiale européenne. Grâce à une collaboration déjà ancienne, l’Europe scientifique est une réalité. Les chercheurs des pays membres disposent d’instruments importants et à la pointe du progrès.
Il est heureux que la Suisse ait adhéré à ces organismes et que les chercheurs suisses participent très activement aux recherches qui y sont entreprises; toutefois, on peut se demander si nos structures helvétiques pour la recherche permettent une utilisation optimale des moyens à disposition. Par exemple, la durée des mandats de nos collaborateurs n’est que rarement comparable avec celle nécessaire pour concevoir une expérience et analyser les résultats.
Ces grands organismes ne sont pas seulement des centres de recherche fondamentale comme mes propos pourraient le laisser supposer. Ce sont également de formidables moteurs de la technologie dont les retombées sont nombreuses et variées.
Revenons au paradoxe du ciel nocturne. Loys de Cheseaux supposait que l’espace étoilé est infini. Les observations les plus récentes et les plus fiables actuellement à notre disposition nous conduisent à penser que nous vivons effectivement dans un univers infini. Les observations faites avec le télescope spatial seront importantes pour confirmer ce point de vue. Mais Loys de Cheseaux ignorait évidemment que l’Univers a un âge et une histoire. L’âge de l’Univers implique l’existence d’un horizon cosmologique. La vitesse de la lumière étant de 300 000 km/sec., la lumière provenant de la Lune met donc un peu plus d’une seconde pour nous parvenir, celle provenant de la galaxie d’Andromède met, elle, deux millions d’années, etc. Donc plus nous observons loin, plus les objets que nous observons sont jeunes. Peut-on observer des objets infiniment loin ou sommes-nous limités dans notre exploration? Même en disposant de moyens superpuissants, il y a une limite à nos observations. Cette limite est de 18 milliards d’années lumière. La dépasser signifierait que nous serions en train d’observer des objets plus jeunes que l’Univers!
Cette limite constitue notre horizon cosmologique. A cela nous devons ajouter que les étoiles, et par là les galaxies, ont une durée de vie dont l’ordre de grandeur est de 10 milliards d’années. C’est une durée de vie qui peut nous paraître fort longue, mais néanmoins elle est trop éphémère pour que compte tenu de la densité stellaire dans l’Univers les étoiles puissent saturer l’espace de leur rayonnement.
A. Maeder, de l’Observatoire de Genève, a calculé que pour que le ciel nocturne soit aussi brillant que le Soleil, il faudrait soit que la densité des étoiles dans l’espace, soit que la durée de vie moyenne des étoiles, fut de l’ordre de cent milliards de fois plus grande !
La partie de l’Univers que nous pouvons observer est donc limitée à notre horizon cosmologique, soit une distance finie, et ce qui est encore plus important, la durée de vie des étoiles est trop courte ou la densité trop faible pour que le ciel nocturne soit lumineux.
La question posée en 1744 par Loys de Cheseaux n’est pas, nous venons de le voir, une question à laquelle il est facile de répondre. Vu les connaissances cosmologiques de l’époque, Loys de Cheseaux ne pouvait pas y répondre. Par contre, il avait fort bien su formuler le problème.
Nombreux sont aujourd’hui les astronomes qui font de lui un précurseur de la cosmologie moderne et c’est avec fierté que nous pouvons nous associer à cette reconnaissance tardive.

Bernard Hauck