Pourquoi la nuit est noire ?

[Yoyo]

Bonjour

tout d'abord merci de venir sur le forum pour répondre aux questions des internautes. merci aussi a votre carte blanche tres didactique et interessante.

j'aurai une question assez naïve, pourquoi la nuit est elle noire? etant donné que le nombre d'étoiles devrait etre suffisant pour "éclairer la nuit".
cette question a été posée sur le forum, et a fait l'objet d'un long debat, mais j'aurai aimé savoir ce qu'en pense un professionnel tel que vous.

Merci par avance de votre réponse.

Yoyo
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[JPL]

Par exemple, que penser de l'hypothèse formulée par Mandelbrot selon laquelle cela s'expliquerait par un répartition fractales des étoiles et des galaxies.

[invite4bf2c230]

Bonjour

tout d'abord merci de venir sur le forum pour répondre aux questions des internautes. merci aussi a votre carte blanche tres didactique et interessante.

j'aurai une question assez naïve, pourquoi la nuit est elle noire? etant donné que le nombre d'étoiles devrait etre suffisant pour "éclairer la nuit".
cette question a été posée sur le forum, et a fait l'objet d'un long debat, mais j'aurai aimé savoir ce qu'en pense un professionnel tel que vous.

Merci par avance de votre réponse.

Yoyo

Supposons que l'Univers soit uniformément rempli d'étoiles et essayons de calculer le flux lumineux qui nous parviendrait alors. Supposons, pour simplifier que ces étoiles aient toutes la même luminosité intrinsèque, la luminosité apparente des étoiles va donc varier en 1/R² où R est la distance à laquelle se trouve une étoile donnée. Si nous regardons la voûte céleste, plus notre regard portera loin et moins les étoiles paraîtront lumineuses, en revanche elles seront plus nombreuses en proportion de la surface de voûte céleste accessible, laquelle augmente proportionnellement à R² (la surface d'une sphère de rayon R est 4 Pi R²). Il y a donc compensation exacte entre la décroissance de la luminosité des étoiles et le nombre croissant que l'on voit en regardant au loin. En conclusion la luminosité du fond de ciel devrait être celle de la surface d'une étoile, nous devrions donc avoir un ciel aveuglant de nuit comme de jour, avec une luminosité partout comparable à celle du Soleil. C'est pourtant loin d'être le cas.
Ce paradoxe est connu sous le nom de paradoxe d'Olbers, astronome allemand qui fut un des premiers à l'énoncer à la fin du XVIIIème siècle. De nombreuses solutions ont été proposées pour le résoudre, la plus simple a priori étant de dire que l'Univers n'est pas infini comme supposé dans le problème. Une autre solution consiste à supposer que l'Univers est trop jeune et que, de ce fait, même s'il est infini la lumière des étoiles lointaines ne nous est pas encore parvenue. Une autre enfin est de dire qu'il est en expansion et que de ce fait on ne peut en voir qu'une quantité finie, celle dont l'expansion est inférieure à la vitesse de la lumière. Plus récemment Edward Harrison, cosmologiste américain, a proposé une autre solution; dans un ouvrage remarquable, "Le noir de la nuit", il passe en revue toutes les solutions proposées pour résoudre le fameux paradoxe et apporte une solution originale qui n'a finalement rien de bien étonnant : si le ciel est noir la nuit c'est tout simplement que, tout calcul fait, il n'y a pas assez d'énergie dans l'Univers.

[deep_turtle]

Bonjour,

Une autre enfin est de dire qu'il est en expansion et que de ce fait on ne peut en voir qu'une quantité finie, celle dont l'expansion est inférieure à la vitesse de la lumière.

Je rebondis sur cette phrase que l'on lit souvent et qui me semble très ambiguë. Elle compare implicitement un taux d'expansion (l'inverse d'un temps) à une vitesse. Si vous voulez parler de la "vitesse d'expansion" définie par la loi de Hubble v=Hr, ce n'est pas très satisfaisant non plus vu que cette relation devient fausse précisément dans le domaine de distance qui nous intéresse ici.

Pouvez-vous éclaircir le sens de votre remarque ?

Merci !

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite4bf2c230]

Bonjour,


Je rebondis sur cette phrase que l'on lit souvent et qui me semble très ambiguë. Elle compare implicitement un taux d'expansion (l'inverse d'un temps) à une vitesse. Si vous voulez parler de la "vitesse d'expansion" définie par la loi de Hubble v=Hr, ce n'est pas très satisfaisant non plus vu que cette relation devient fausse précisément dans le domaine de distance qui nous intéresse ici.

Pouvez-vous éclaircir le sens de votre remarque ?

Merci !

L'expansion de l'Univers est donnée par un rapport vitesse sur distance (l'unité employée par les astronomes est le Mpc/ km/s, cad Mégaparsecs par kilomètres par seconde). La distance d'une galaxie sera donc inversement proportionnelle à sa vitesse. Même si, comme vous le dîtes, la relation n'est plus linéaire aux grandes distances que l'on considère ici, on peut imaginer que les plus lointaines galaxies ont une vitesse de fuite supérieure à celle de la lumière (c'est possible puisqu'il ne s'agit pas d'une vitesse au sens habituel, d'un objet par rapport à un référentiel donné, mais d'une vitesse apparente liée à la dilatation de la structure même de l'Univers) ce qui fait que leur lumière ne pourra pas nous parvenir. On dit qu'elles sont au-delà de l'horizon cosmologique. A partir de là il est facile de dire que, ne pouvant voir ce qui se passe au-delà d'une certaine limite, on n'intègrera qu'une quantité finie de lumière le long de notre ligne de visée.

[invite4bf2c230]

L'expansion de l'Univers est donnée par un rapport vitesse sur distance (l'unité employée par les astronomes est le Mpc/ km/s, cad Mégaparsecs par kilomètres par seconde). La distance d'une galaxie sera donc inversement proportionnelle à sa vitesse. Même si, comme vous le dîtes, la relation n'est plus linéaire aux grandes distances que l'on considère ici, on peut imaginer que les plus lointaines galaxies ont une vitesse de fuite supérieure à celle de la lumière (c'est possible puisqu'il ne s'agit pas d'une vitesse au sens habituel, d'un objet par rapport à un référentiel donné, mais d'une vitesse apparente liée à la dilatation de la structure même de l'Univers) ce qui fait que leur lumière ne pourra pas nous parvenir. On dit qu'elles sont au-delà de l'horizon cosmologique. A partir de là il est facile de dire que, ne pouvant voir ce qui se passe au-delà d'une certaine limite, on n'intègrera qu'une quantité finie de lumière le long de notre ligne de visée.

Attention, je viens de me relire et je vois que j'ai écris une énorem bêtise... la distance d'une galaxie est "directement" proportionnelle à sa vitesse de fuite apparente et non pas "inversement" proportionnelle comme je l'ai écrit ci-dessus.
Le facteur de proportionnalité est la fameuse constante de Hubble.

[deep_turtle]

Merci pour votre réponse,

Je reste toutefois insatisfait :

on peut imaginer que les plus lointaines galaxies ont une vitesse de fuite supérieure à celle de la lumière (c'est possible puisqu'il ne s'agit pas d'une vitesse au sens habituel, d'un objet par rapport à un référentiel donné, mais d'une vitesse apparente liée à la dilatation de la structure même de l'Univers) ce qui fait que leur lumière ne pourra pas nous parvenir.

Mais justement si ce n'est pas une vraie vitesse, je ne comprends pas le pas logique qui mène à votre dernière phrase. Ce raisonnement semble d'appuyer sur une composition des vitesses non-relativistes, et j'ai l'impression que vous voulez dire que "la source se déplace plus vite que la lumière par rapport à nous, donc la lumière s'éloigne de nous au lieu de se rapprocher". Or la vitesse de la lumière, obtenue comme la distance parcourue divisée par le temps, peut être supérieure à c dans un univers en expansion (cf le petit calcul dans le point 2/ de ce message), et la lumière émise par un objet situé plus loin que r=c/H peut finir par nous parvenir (ça dépend de manière compliquée de l'histoire de l'expansion).

C'est confus, je vais essayer de le dire plus simplement : sauf erreur de ma part (?), si l'on imagine un Univers qui se serait éternellement expandu avec le taux H mesuré aujourd'hui, on verrait TOUT l'Univers, alors que pourtant certaines galaxies s'"éloigneraient" de nous avec des vitesses arbitrairement grandes ! C'est donc plutôt l'âge fini de l'Univers et non son expansion qui impose un horizon.

Ce n'est pas pour pinailler, mais c'est vraiment parce que cette question me perturbe. !

[deep_turtle]

Bon, on va dire que le ridicule ne tue pas...

sauf erreur de ma part

C'était le point faible de ma superbe démonstration... Grosse erreur de ma part, ne tenez pas compte de mon message précédent, je suis parti sur un truc complètement faux (je rajouterai un mot ce soir, là j'ai cherché d'urgence un ordi pour écrire ça...)...

Désolé du dérangement, et merci encore pour votre patience en tout cas !

[deep_turtle]

pouf pouf, je reprends calmement le point qui me chiffonne...

Dans un Univers en expansion, il peut y avoir une limite au-delà de laquelle la lumière ne nous parvient plus (je suis d'accord avec vous). Dans notre Univers, cette limite est située loin, plus loin que z=1100 (car on voit le rayonnement de fond cosmologique). Or à cette distance, on ne voit pas de galaxies, elles n'étaient pas encore formées quand la lumière qui nous arrive aujourd'hui a été émise.

Il me semble donc que ce qui limite le nombre d'étoiles visibles, c'est l'âge de l'Univers (plus précisément des premières étoiles), plus que le fait qu'il s'expand... (bon, il y a aussi le fait que les étoiles lointaines sont vues avec un spectre décalé vers le rouge...).

Voilà voilà...

[invite4bf2c230]

pouf pouf, je reprends calmement le point qui me chiffonne...

Dans un Univers en expansion, il peut y avoir une limite au-delà de laquelle la lumière ne nous parvient plus (je suis d'accord avec vous). Dans notre Univers, cette limite est située loin, plus loin que z=1100 (car on voit le rayonnement de fond cosmologique). Or à cette distance, on ne voit pas de galaxies, elles n'étaient pas encore formées quand la lumière qui nous arrive aujourd'hui a été émise.

Il me semble donc que ce qui limite le nombre d'étoiles visibles, c'est l'âge de l'Univers (plus précisément des premières étoiles), plus que le fait qu'il s'expand... (bon, il y a aussi le fait que les étoiles lointaines sont vues avec un spectre décalé vers le rouge...).

Voilà voilà...

Il est certain que le fait que l'âge de l'Univers soit fini limite la quantité de lumière qui nous parvient puisque, même en le supposant de taille infini et sans expansion, la première lumière issue des objets les plus lointains n'a pas encore eu le temps de parvenir jusqu'à nous. Cet effet s'ajoute effectivement à celui de l'expansion comme vous le soulignez fort justement.