La ville de nuit
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Pourquoi la nuit est-elle noire ? par Etienne Klein

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Pourquoi la nuit est-elle noire ? par Etienne Klein

Savez-vous pourquoi il fait nuit la nuit ? Pour répondre à cette question en apparence naïve mais qui a tourmenté les savants, Etienne Klein, scientifique, philosophe des sciences et producteur à France Culture de "La Conversation scientifique" vous propose un voyage au bout de la nuit.

D'où vient qu'il fait nuit la nuit, alors que les étoiles brillent ? Etienne Klein, philosophe de sciences et producteur de l'émission "La Conversation scientifique" sur France Culture, vous propose d'explorer ce paradoxe, qui a tant obnubilé les savants et les poètes depuis des siècles.

Voyage au bout de la nuit noire

Etienne Klein : Tentons de répondre à la question suivante, d’apparence naïve, voire stupide : d’où vient qu’il fait nuit la nuit ?

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En réalité, il s’agit bien là d’un véritable paradoxe, qui a longuement agacé les savants. En quoi le fait que la nuit soit noire peut-il bien constituer un paradoxe ? N’est-ce pas plutôt une évidence, un fait brut ? Dans le langage courant, « nuit noire » est d’ailleurs plutôt un pléonasme et « nuit blanche » plutôt un oxymore. Depuis presque toujours (plus précisément depuis la nuit des temps !), on sait que le soir, après le coucher du soleil, le fond du ciel devient de plus en plus sombre entre les étoiles qui scintillent. Plus prosaïquement, il devient de plus en plus clair qu’il fait nuit. N’est-ce pas là tout ce qu’il y a de plus normal ? En fait, non. Car les suppositions et les raisonnements les plus simples conduisent à la conclusion que le ciel devrait être brillant vingt-quatre heures sur vingt-quatre, c’est-à-dire de jour comme de nuit. 

Supposons en effet que notre univers est infini et qu’il est uniformément peuplé d’étoiles qui brillent depuis toujours. Les lumières des unes s’ajoutant aux lumières des autres, la luminosité totale devrait être infinie. Le ciel devrait donc être constamment brillant. Or, ce n’est pas ce que nous observons. Cette sorte de contradiction a suscité de très nombreuses réflexions depuis quatre siècles.

Obsessions d'astronomes

Le grand Kepler fut le premier à soulever le problème au tout début du XVIIe siècle. Sans faire trop de calculs, il en tira argument pour conclure que l’univers ne pouvait être que de taille finie. 

Un peu plus tard, l’astronome Edmund Halley, devenu célèbre grâce à la comète qui porte son nom, fit des calculs qui confirmèrent le raisonnement de Kepler. Dans un univers infini, la luminosité due aux étoiles serait elle-même infinie : il démontra que les étoiles lointaines, bien que moins lumineuses à cause de leur éloignement, contribuent globalement autant que les étoiles proches, car elles sont plus nombreuses. 

En 1743, un jeune astronome suisse, Jean-Philippe Loys de Cheseaux, reprit ces calculs, mais supposa que l’univers est rempli d’un milieu légèrement opaque qui absorbe la lumière des étoiles les plus lointaines, de sorte que celles-ci ne doivent plus être comptabilisées dans le calcul de la luminosité totale.  Le jeune homme, promis à une belle carrière, n’eut pas le temps de la mener à bien : il mourut quelques années plus tard lors d’un voyage à Paris, à l’âge de 33 ans.

Au début du XIXe siècle, Heinrich Olbers, un médecin allemand passionné d’astronomie, arriva à la même idée que Loys de Cheseaux mais avec un argument différent. Lui comprit que les étoiles les plus proches masquent les étoiles les plus lointaines. Lorsqu’il fait nuit, quelle que soit la direction vers laquelle nous portons notre regard, celui-ci finit en effet par aboutir sur la surface d’une étoile. Le ciel devrait donc nous apparaitre comme pavé de soleils, donc être parfaitement clair, et il devrait faire jour en permanence. Mais ce ne sont pas toutes les étoiles qui contribuent à cette luminosité que nous percevons, seulement les premières sur chaque ligne de visée. Tout se passe comme si l’univers n’était pas infini, mais fini. En l’occurrence, la question de savoir s’il est fini ou infini devient sans importance, comme cela se comprend par analogie avec ce que voit un promeneur dans une forêt. Si le promeneur en question est dans une forêt très étendue, sa ligne de regard est en toute direction obstruée par des arbres. Son champ visuel est donc entièrement tapissé d’arbres, de sorte qu’il ne perçoit rien qui soit à l’extérieur de la forêt et qu’il ne peut pas savoir quelle est sa taille. Il n’en perçoit qu’une portion. Bien sûr, la distance entre les étoiles étant bien plus grande que celle entre les arbres dans une forêt, les astronomes peuvent voir beaucoup plus loin dans le ciel que les promeneurs dans une forêt. Mais dans les deux cas, le regard finit par buter sur une sorte de rempart, constitué d’arbres ou d’étoiles… 

Le ciel étant ainsi pavé d’étoiles, d’où peut bien venir qu’il nous apparaisse noir quand le soleil est caché ?

33 min

Une prémonition poétique

Chose extraordinaire, le commencement de la solution est venu de la poésie. En 1948, Allan Edgar Poe publie Eureka, un texte qui n’est guère scientifique (il est plutôt poétique et métaphysique), mais il contient une idée géniale :  la lumière de la lumière étant finie, explique-t-il au détour d’un paragraphe, nous ne voyons pas les étoiles dont la lumière n’a pas eu le temps de nous arriver. L’arrière-plan de l’univers nous est invisible. 

Cette remarque, qui est cruciale, sera retravaillée par le physicien Lord Kelvin. Par la suite, à partir des années 1930, les physiciens finiront par comprendre que les étoiles, qui doivent leur rayonnement au fait qu’elles abritent des réactions de fusion nucléaire, ont une durée de vie finie. Elles n’ont pas toujours été là, et certaines d’entre elles nous sont invisibles, car la lumière qu’elles émettent n’a pas eu le temps de nous parvenir. 

En résumé, la résolution du paradoxe de la nuit noire dans le cadre de la cosmologie classique, qui considère que l’univers est statique et infini, tient en deux arguments : la lumière des astres prend son temps pour nous parvenir, et les étoiles n’ont pas toujours été là ni ne sont immortelles. Tout cela fait qu’un horizon limite notre perception des lumières de l’univers.

Mais au XXe siècle, un troisième argument est venu s’ajouter : l’univers est en expansion, en ce sens que la distance entre ses points ne cesse d’augmenter. La lumière des galaxies les plus lointaines se décalent donc vers le rouge, ce qui a pour effet de les rendre moins visibles que si elles étaient immobiles. Dès lors, s’il fait nuit la nuit, c’est parce que les étoiles ont un âge fini, que la vitesse de la lumière est elle aussi finie, et également parce que l’univers a un tempérament expansif. 

L'énigme du "rayonnement fossile"

Mais en vérité, il n’est pas tout à fait exact que la nuit est noire. En effet, on sait désormais que, de jour comme de nuit, le ciel est baigné de rayonnements qui ne s’éteignent jamais, à commencer par le rayonnement fossile, aussi appelé le « fond diffus cosmologique ». Qu’est-ce donc ? Le résidu fossile d’une étape clé de l’histoire de l’univers. Pendant les 380 000 ans qui ont suivi le big bang, la lumière ne pouvait pas se propager librement dans l’espace : la densité de matière était telle que les photons ne cessaient d’y interagir avec des particules de matière, de sorte que l’univers était un milieu opaque à sa propre lumière. Le refroidissement continu de l’univers a toutefois fini par provoquer un changement de phase après 380 000 ans d’expansion, lorsque la température de l’univers n’était plus que de 4 000 kelvins : les électrons furent capturés par les noyaux, formant ainsi des atomes électriquement neutres. Comme les photons interagissent peu avec les atomes, ils purent enfin se propager librement dans l’univers, sans rencontrer d’obstacle à chacun de leurs pas. C’est ce rayonnement qui s’est libéré de la matière qui constitue aujourd’hui ce qu’on appelle le « fond diffus cosmologique ».

Si nos yeux étaient sensibles aux fréquences les plus basses, ils verraient le ciel nocturne traversé de cette lumière. En fait, la nuit est brillante, mais nos yeux ne sont pas capables de le constater. C’est notre regard qui assombrit la nuit. 

C’est ici qu’un peu de latin vient nous servir. En latin, il existe deux mots pour désigner le noir : ater, qui désigne le noir mat, le noir éteint, et niger, qui désigne le noir brillant, lumineux. Ater est devenu un mot négatif, qui a donné atroce et atrabilaire. Niger est au contraire un mot positif. C’est son inverse qui est négatif, comme on le voit avec le verbe dénigrer, qui signifie nier l’éclat d’un fait, d’un argument ou d’une personne. 

Compte tenu de ce que nous venons d’expliquer à propos du ciel nocturne, on pourrait dire que nos yeux dénigrent la nuit puisqu’ils lui retirent son éclat (« La nuit n’est nuit que pour nous, a justement écrit René Barjavel, ce sont nos yeux qui sont obscurs »). Mais grâce aux découvertes des astrophysiciens, nous savons désormais que le juste mot pour traduire le noir de la nuit est niger, le noir brillant, et non ater, le noir mat. En somme, en découvrant le fond diffus cosmologique, les savants ont « renigré » la nuit, au sens où ils l’ont « dé-dénigrée ».

Etienne Klein

58 min