Univers noir

[invite78dc04b5]

Pourquoi l'univers est-il noir alors qu'il est rempli d'étoiles qui emettent des quantités énormes de lumière?
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[roll]

salut,
j'ai pas trop le temps de te répondre mais tu toujours voir sur ce lien ça devrait répondre à ta question:
http://fr.wikipedia.org/wiki/Paradoxe_d%27Olbers

[invite88ef51f0]

Salut,
Tu trouveras de nombreuses discussions sur le forum en cherchant "nuit noire" ou "paradoxe d'Ölbers".

[Gilgamesh]

Dans un univers statique infini dans l'espace et dans le temps, uniformément remplis d'étoile (ou de galaxies), c'est effectivement imparable. La voute celeste, de nuit comme de jour aurait la luminance moyenne de la surface d'une étoile, c'est à dire qu'on se trouverait dans un énorme four avec une température moyenne dans les 4 à 5000 K.

C'est le paradoxe de la nuit noire ou paradoxe d'Olbers (du nom d'Heinrich Olbers qui le décrivit en 1823 - le paradoxe était déjà connu par Kepler en 1610 ainsi que Halley et Chéseaux au XVIIIe siècle).

Historiquement, ce paradoxe a eu son importance dans le cadre d'un univers newtonien. Auparavant (avant Copernic, Galilée, toussa), pour rappel, l'univers est fini et formé de coquilles concentriques solides (les "cieux") autour de la Terre. Soit un monde tout petit, ne générant aucun paradoxe de ce type. Avec Newton, les astres sont éparpillés dans un espace sans frontières concevables et la gravité structure tout ce petit monde. Or dans ce cas, un univers fini étendu dans un espace infini est instable. Les étoiles situées en périphérie vont être attirées vers le centre, la densité moyenne de l'univers va augmenter, le champs de gravité moyen va croitre et le collapse s'accélérer. La seule solution pour obtenir un univers stable est donc d'étendre le "gaz d'étoiles" à l'infini pour assurer un univers statique. Oui mais là on est alors confronté au paradoxe d'Olbers, situation inextricable.

On peut éventuellement soutenir que l'espace contient des gaz qui absorbent la lumière des étoiles les plus lointaines. De fait, le phénomène d'extinction n'est pas du tout négligeable au sein de la Galaxie (qu'on ne connait pas encore, je le rappelle). Mais sur la durée, ça ne lève pas le paradoxe. Les gaz interstellaires en absorbant le rayonnement vont s'échauffer et rayonner à l'équilibre autant que l'arrière plan.

Une première solution est donnée par Edgard Poe (le romancier). Si l'univers est infini dans l'espace, il ne l'est peut être pas dans le temps. Et dans ce cas, la lumière venue des confins n'a pas eu le temps de nous parvenir. C'est une solution relativement satisfaisante, d'autant que l'infinité dans le temps posait également le problème de savoir comment des phénomène transitoire (les étoiles) pouvaient encore briller et pourquoi l'entropie, phénomène irreversible, n'avait pas déjà tout dispersé depuis l'infinité des temps... Il reste quand même à expliquer l'apparition en un temps fini d'étoiles, de matière, dans un espace si ce n'est infini, en tout cas considérablement étendu. Car par ailleurs, on peut également soutenir que l'espace est fini et en effondrement depuis un temps fini. Mais il est assez dérangeant au plan intellectuel d'imaginer une bulle de gaz d'étoile au milieu d'un espace infini. Surtout que cette bulle doit être en train de s'effondrer. Ce qu'on n'observe pas ! Il faut bien se rappeler que l'on n'observe encore que les étoiles de la Galaxie ; les galaxies extérieures sont vues comme qq centaines de tache floues dont on ignore si on doit les confondre avec des nuages de gaz proches ou si ce sont des système d'étoiles lointains (théorie de Kant).

En fait, avant la Relativité Générale, il n'y a pas de cosmologie scientifique pour toutes ces raisons là.

La théorie d'Einstein relie la courbure de l'espace au contenu de l'Univers. Si la densité est suffisante, l'univers est hypersphérique c'est à dire fini mais sans bord. Plus besoin d'imaginer un espace infini, c'est un progrès majeur et le début de la cosmologie scientifique.

Seulement, si la densité n'est pas EXACTEMENT la densité critique, on se retrouve avec le même problème qu'avec l'univers newtonien, mais cette fois ci avec DEUX solutions dynamiques. Si la densité dépasse la densité critique, l'univers s'effondre pour une raison tout à fait analogue à celle analysé dans le cas newtonien. Et le déclenchement de l'effondrement peut être causé d'après le modèle par n'importe quelle inhomogénéité de matière. Ce n'est donc pas tenable.

Et si la densité est inférieure à la densité critique, alors l'espace est en expansion. Ça par contre, c'est une solution que ne pouvait prédire le modèle newtonien, dans lequel l'espace est fixe et absolu (cad où seule la matière y est en mouvement). Dans le modèle du Big Bang, la matière est immobile, et c'est l'espace qui est en expansion.

Dans le cadre d'un univers en expansion, le paradoxe d'Olbers est doublement réglé :

* l'Univers a un age fini. L'énergie produite est elle même finie et nous la recevons d'un nombre fini d'astre. Il est vrai que l'arpentage de l'univers nous montre un univers quasi vide. L'ensemble des étoiles déversant leur énergie dans l'espace depuis le début des temps n'ont augmenté que de 1/1000e le nombre de photons qui remplissent l'Univers. Le reste, c'est le rayonnement fossile, reliquat de sa période chaude.

* l'expansion de l'espace fait que le rayonnement éblouissant des origines est décalé vers les grandes longueur d'onde, d'un facteur 1000 environ. Au moment où l'univers est devenu transparent, il rayonnait à T=3000 K, soit une longueur d'onde (en micron) de 3000/T = 1 micron (le proche infra rouge). Si ce rayonnement n'avait pas été redshifté, on se retrouverait dans le fours d'Olbers. La température ayant été divisé par 1000 par l'expansion, l'Univers rayonne à 3K, soit un rayonnement 3000/3 = 1 mm.

L'univers est donc bien remplis de rayonnement, comme dans le paradoxe d'Olbers, non du fait des étoiles mais du gaz chaud des origines. Seulement l'expansion de l'univers en a fait un rayonnement de basse énergie, invisible à l'oeil, et les nuit sont noires.

a+

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite78dc04b5]

merci galgamesh
ça c'est de l'explication!!! et en plus j'ai parfaitement compris.merci

[Thioclou]

Bonjour à tous,

Dans un univers statique infini dans l'espace et dans le temps, uniformément remplis d'étoile (ou de galaxies), c'est effectivement imparable. La voute celeste, de nuit comme de jour aurait la luminance moyenne de la surface d'une étoile, c'est à dire qu'on se trouverait dans un énorme four avec une température moyenne dans les 4 à 5000 K.
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La seule solution pour obtenir un univers stable est donc d'étendre le "gaz d'étoiles" à l'infini pour assurer un univers statique. Oui mais là on est alors confronté au paradoxe d'Olbers, situation inextricable.

On peut éventuellement soutenir que l'espace contient des gaz qui absorbent la lumière des étoiles les plus lointaines. De fait, le phénomène d'extinction n'est pas du tout négligeable au sein de la Galaxie (qu'on ne connait pas encore, je le rappelle). Mais sur la durée, ça ne lève pas le paradoxe. Les gaz interstellaires en absorbant le rayonnement vont s'échauffer et rayonner à l'équilibre autant que l'arrière plan.
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L'univers est donc bien remplis de rayonnement, comme dans le paradoxe d'Olbers, non du fait des étoiles mais du gaz chaud des origines. Seulement l'expansion de l'univers en a fait un rayonnement de basse énergie, invisible à l'oeil, et les nuit sont noires.

a+

Le rayonnement est également absorbé par les trous noirs présents dans l'univers sans s'échauffer et/ou rayonner.

Si la densité des trous noirs dans l'univers était suffisante, cela pourrait-il expliquer le fait que la nuit est noire sans faire intervenir l'hypothèse d'une expansion de l'univers?

[Gilgamesh]

Bonjour à tous,



Le rayonnement est également absorbé par les trous noirs présents dans l'univers sans s'échauffer et/ou rayonner.

Si la densité des trous noirs dans l'univers était suffisante, cela pourrait-il expliquer le fait que la nuit est noire sans faire intervenir l'hypothèse d'une expansion de l'univers?

La "section efficace" des TN est très très inférieure à ce qui est nécessaire pour masque le rayonnement de la galaxie qui les abrite.

Rayon d'un TN ~ 10⁴ m
Section d'un TN ~ 10^2*4=8 m²
Nombre de TN par galaxie ~ 10¹¹
Section totale ~ 10¹⁹ m²

Rayon d'une galaxie ~ 10²¹ m
Section d'une galaxie ~ 10⁴² m²

Il faudrait 10^42-19=23 (100 mille milliards de milliards) de fois plus de TN pour obscurcir substantiellement le rayonnement galactique

Si tu intégres a l'infini tu finis bien par arriver à qqchose mais la durée de trajet de la lumière ferait retomber sur le premier paradoxe : les étoiles ont une durée de vie fini, qui ne s'accomode pas d'un très vieil univers.

a+

[Thioclou]

Bonjour Gilgamesh

La "section efficace" des TN est très très inférieure à ce qui est nécessaire pour masque le rayonnement de la galaxie qui les abrite.
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Il faudrait 10^42-19=23 (100 mille milliards de milliards) de fois plus de TN pour obscurcir substantiellement le rayonnement galactique

Si tu intégres a l'infini tu finis bien par arriver à qqchose mais la durée de trajet de la lumière ferait retomber sur le premier paradoxe : les étoiles ont une durée de vie fini, qui ne s'accomode pas d'un très vieil univers.

a+

Oui, mais ce calcul suppose que tous les TN sont inclus dans des galaxies...
Et si l'espace intergalactique était plein de TN? cela expliquerait que la nuit soit noire.
Et s'il existait une masse (ou densité d'énergie ?) limite pour un TN, cela expliquerait la jeunesse de notre "univers-bigbang".

[Deedee81]

Salut Thioclou,

Oui, mais ce calcul suppose que tous les TN sont inclus dans des galaxies...
Et si l'espace intergalactique était plein de TN? cela expliquerait que la nuit soit noire.

Mais le ciel n'est pas tout à fait noir, on y voit pleins d'étoiles et de galaxies. T'imagine l'invraisemblable déformation des images qu'engendrerait un espace remplis de TN ? Ca se verrait comme le nez au milieu de la figure, même sans télescope. Tu aurais des milliards de milliards de mirages gravitationnels. Des étoiles qui seraient étirées comme des lignes. Etc...

Et s'il existait une masse (ou densité d'énergie ?) limite pour un TN, cela expliquerait la jeunesse de notre "univers-bigbang".

Comprend pas . Tu peux préciser ce que tu veux dire ? (limite min ou max et le rapport avec la jeunesse ?)

[Thioclou]

Bonjour Deedee81,

Salut Thioclou,

Mais le ciel n'est pas tout à fait noir, on y voit pleins d'étoiles et de galaxies. T'imagine l'invraisemblable déformation des images qu'engendrerait un espace remplis de TN ? Ca se verrait comme le nez au milieu de la figure, même sans télescope. Tu aurais des milliards de milliards de mirages gravitationnels. Des étoiles qui seraient étirées comme des lignes. Etc...

Ce n'est pas si évident que ça.
1/ j'ai supposé que l'espace était suffisamment rempli de trous noirs pour absorber à long terme l'énergie radiante émise par les corps stellaires ce qui pourrait également expliquer que la nuit soit presque noire.

S'il y avait des milliards de milliards de trous noirs, leur masse individuelle serait faible (quelques masses solaires), leur section efficace serait alors faible et insuffisante pour provoquer systématiquement des mirages gravitationnels.

Inversement, si leur masse individuelle est importante (des millions ou milliards de masses solaires), il y aurait peu de trous noirs donc encore peu de mirages gravitationnels.

......
Comprend pas . Tu peux préciser ce que tu veux dire ? (limite min ou max et le rapport avec la jeunesse ?)

2/ L'énergie-matière n'est peut être pas infiniment compressible au centre d'un trou noir (conflit actuel entre relativité générale et mécanique quantique).
Dans ce cas, il existerait une limite de densité des particules présentes au centre d'un trou noir, origine de la formation d'un bigbang....

[Deedee81]

Bonjour,

Ce n'est pas si évident que ça.
1/ j'ai supposé que l'espace était suffisamment rempli de trous noirs pour absorber à long terme l'énergie radiante émise par les corps stellaires ce qui pourrait également expliquer que la nuit soit presque noire.

"Suffisamment", que voilà un terme impossible à contester

Tu dis "absorber à long terme..."
Ca n'a pas beaucoup de sens. Le rayonnement lumineux ce n'est pas comme un fluide qui stagne. Les rayons lumineux qui sont émis, ils passent ou pas, et vite. Une partie peut ou peut ne pas être absorbée ou déviée mais il n'y a pas de "à long terme". Et, bien entendu, si tu doubles "l'épaisseur" traversée tru doubles tous les effets : les recherchés comme les "gênants".

En outre :

S'il y avait des milliards de milliards de trous noirs, leur masse individuelle serait faible (quelques masses solaires), leur section efficace serait alors faible et insuffisante pour provoquer systématiquement des mirages gravitationnels.

Leur section efficace serait également faible et insufisante pour absorber le rayonnement environnant (voir les chiffres donnés plus haut). Il ne faut pas oublier qu'un TN d'une masse solaire attire et absorbe la lumière ni plus ni moins qu'une étoile d'une masse solaire. Un TN ce n'est pas un aspirateur. Un rayon lumineux qui passe même tous près, est dévié mais pas absorbé.
En fait, les déviations seraient infiniment plus forte que toute absorption imaginable. Tu ne peux pas, par toute astuce que ce soit, éliminer les effets gravitationnels (lentilles) en conservant les effets gravitationnels (absorption)

Si ton "nuage de TN", qu'ils soient petits ou gros, n'était capable ne fut-ce que d'aborber un dixième de pourcent du rayonnement (ce qui serait bien entendu largement insuffisant pour avoir un ciel noir) tu ne verrais même plus les étoiles mais seulement un truc vaguement laiteux et uniforme (tellement ce serait déformé) !

2/ L'énergie-matière n'est peut être pas infiniment compressible au centre d'un trou noir (conflit actuel entre relativité générale et mécanique quantique).
Dans ce cas, il existerait une limite de densité des particules présentes au centre d'un trou noir, origine de la formation d'un bigbang....

Ca c'est de la pure spéculation.... qui, en plus, n'a rien à voir avec ce qui précède. En plus, la MQ évite certainement la singularité centrale mais ça n'a rien à voir avec une histoire de compressibilité (c'est plutôt en rapport avec la "structure" de l'espace-temps). De plus, on ne sait même pas comment le BigBang à commencé et toi tu voudrais lancer des hypothèses sur la possibilité d'une telle naissance dans un TN (tu n'est pas le seul). Mais personnellement j'estime que cela revient à discuter de la couleur des cornes des licornes Ou pour citer un cas qui s'est vraiment produit : discuter pour savoir combien d'anges peuvent tenir sur une tête d'épingle

[inviteb89fc71e]

perso, je maintiens que l'expansion de l'univers, limitant progressivement le nombre d'objets celestes présents dans le cone de causalité, suffit a elle seule pour expliquer le noir du fond de l'espace, qui est d'ailleurs forcément de plus en plus noir au cours du temps.

Je ne vois pas en quoi un univers ayant une date de "début", même si j'agrée tout a fait au modèle cosmologique standard, viens faire quelque chose la dedans.
Même avec un univers d'un age infini on obtient quand même un fond d'univers noir un jour ou l'autre, a cause de la vitesse de la lumière et de l'expansion.

Bien sûr, vous me repliquerez que l'expansion et le "vidage" progressif du cone de causalité implique forcément un point "d'origine", donc un age défini de l'univers, ou supposerait dans le cas contraire une generation spontanée et progressive de matière dans ce même cone si l'univers avait un age infini pour rendre compte des observations (car si l'univers avait un age infini avec une expansion et sans génération spontanée nous serions déjà dans un noir quasi complet excepté les accretions locales).
mais ceci est un autre débat.

univers noir because limite de c + expansion
c'est largement suffisant pour justifier d'un fond de ciel noir.

[Deedee81]

Bonjour ironpulse,

perso, je maintiens que l'expansion de l'univers, limitant progressivement le nombre d'objets celestes présents dans le cone de causalité, suffit a elle seule pour expliquer le noir du fond de l'espace, qui est d'ailleurs forcément de plus en plus noir au cours du temps.

Il y a quelque chose de louche dans ton explication.

Cette diminution du nombre d'objets au cours du temps implique une diminution dans le futur. Or, quand on parle du "ciel noir", c'est-à-dire de la lumière reçue (ou pas ) on parle du passé : la lumière qui a été émise par des objets qui sont maintenant plus loin.

En fait, avec ce raisonnement on devrait en conclure... que nous sommes grillés (infiniment plus d'objets, par le passé, dans le cone de causalité qui devraient nous griller). Manifestement, c'est pas vraiment ça.

Je ne vois pas en quoi un univers ayant une date de "début", même si j'agrée tout a fait au modèle cosmologique standard, viens faire quelque chose la dedans.
Même avec un univers d'un age infini on obtient quand même un fond d'univers noir un jour ou l'autre, a cause de la vitesse de la lumière et de l'expansion.

L'age fini limite la quantité totale de lumière qui peut avoir été reçue. C'est inévitable. Mais ce n'est pas l'effet important (l'univers était plus dense par le passé, voir le "au secours nous sommes grillés" plus haut, la densité était plus forte par le passé), voir plus bas.

Bien sûr, vous me repliquerez que l'expansion et le "vidage" progressif du cone de causalité implique forcément un point "d'origine", donc un age défini de l'univers, ou supposerait dans le cas contraire une generation spontanée et progressive de matière dans ce même cone si l'univers avait un age infini pour rendre compte des observations (car si l'univers avait un age infini avec une expansion et sans génération spontanée nous serions déjà dans un noir quasi complet excepté les accretions locales).
mais ceci est un autre débat.

Exact, on ne va de toute façon pas faire l'erreur de logique de dire que s'il y a eut une origine alors c'est qu'elle est obilgatoirement la cause du ciel noir. Landru avait une mère, ce n'est pour cela qu'elle est responsable de la mort de toutes ses victimes Il faut une enquête policière pour ça. Donc, dire "l'origine a un rôle" s'argumente mais c'est trivial.

univers noir because limite de c + expansion
c'est largement suffisant pour justifier d'un fond de ciel noir.

L'effet principal c'est le redshift. La preuve en est que le CMBR est le rayonnement moyen reçu de l'univers à l'époque de la combinaison, et s'il n'était pas décalé vers le rouge il aurait quelques milliers de degrés (3000 si je me souviens bien du chiffre). Chaud aux fesses Heureusement, ce brave redshift (qui, il est vrai, est lié à l'expansion) l'a refroidit à 3 K.

Moralité, la quantité (énergie) de lumière reçue est très limitée, elle est inversément proportionnelle à la distance de la "coquille" considérée (malgré que le volume considéré augmente).

Note que je suis d'accord sur un point, le ciel deviendra de plus en plus noir au fur et à mesure que le temps s'écoule. Ce raisonnement montre aussi que l'age fini ne joue pas beaucoup et même pas dans le sens voulu.

Alors je dirais que tu as donné la bonne explication du... mauvais problème
- Ciel noir = redshift
- ciel plus noir que pas le passé = (redshift +) expansion