Publié le 29 Octobre 2026 par Céphéides

Publié dans : #astronomie

Pourquoi le ciel est-il noir alors qu'il est rempli d'étoiles ?

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L'Escalier céleste et la Voie lactée au-dessus du désert chilien.

Malgré les milliards de milliards d'étoiles que contient l'Univers observable, la majeure partie du ciel nocturne demeure noire. Pourquoi ?

Crédit photo : Julien Looten (ASD at NASA/GSFC, NASA Science Activation & Michigan Technological University).

L'Univers observable renfermerait jusqu'à deux mille milliards de galaxies, chacune abritant des milliards d'étoiles. Au total, le cosmos contiendrait davantage d'étoiles que la Terre ne possède de grains de sable. Ces innombrables étoiles devraient nous envoyer leur gigantesque lumière, pourtant, lorsque nous levons les yeux vers le ciel nocturne, il nous apparaît essentiellement noir ce qui peut sembler surprenant. Cette question est connue des astronomes sous le nom de paradoxe d'Olbers

Sur Terre, nous voyons le ciel bleu parce que l'atmosphère diffuse davantage la lumière bleue du Soleil. Dans l'espace, où il n'existe pas d'atmosphère, le ciel apparaît noir même en plein jour. Cette explication semble suffisante mais elle ne résout pas une question plus profonde : pourquoi la lumière des innombrables étoiles de l'Univers ne finit-elle pas par illuminer tout le ciel ?

Ce n’est évidemment pas le cas dans l’espace où il n’y a pas d’atmosphère et où la diffusion de la lumière solaire dans toutes les directions n’est pas possible ; la lumière nous arrive ici directement depuis les objets qui l’émettent ou la réfléchissent : le Soleil, les planètes, les étoiles… Entre ces différents objets, les zones vides ne nous envoient aucune lumière et elles nous paraissent donc tout naturellement noires. C’est la raison pour laquelle les astronautes sur la Lune voient un ciel totalement noir, même « en plein jour » alors que le Soleil darde intensément ses rayons sur eux. Tout cela est certainement vrai mais n’explique pas complètement l’absence de lumière en provenance de toutes les étoiles de l’univers…

Le paradoxe d’Olbers

le ciel étoilé et l'énigme de l'obscurité cosmique

Photo par ashwin kumar (Flickr) — CC BY-SA 2.0

Si l’univers est infini ou suffisamment grand pour le laisser penser, si des milliards de milliards d’étoiles existent dans toutes les directions, quel que soit le sens de notre regard, notre vision devrait rencontrer la lueur d’une étoile : et la conclusion s’impose d’elle-même : le ciel devrait être intégralement brillant or ce n’est (heureusement) pas ce que nous observons. Quelle est donc l’explication réelle de cette apparente contradiction ?

Cette question est en réalité une très vieille énigme cosmologique qui a interpelé des milliers de scientifiques à toutes les époques et à laquelle il fallut des siècles pour apporter une réponse crédible ce qui peut sembler bien long.

C’est à l’astronome et physicien allemand Heinrich Olbers (1758-1840) que l’on doit d’avoir formalisé le problème qui occupait déjà les cerveaux des plus grands esprits scientifiques : les étoiles lointaines nous paraissent beaucoup moins brillantes que les proches et plus une étoile est éloignée, moins elle paraît brillante, suivant la loi de l'inverse du carré de la distance. Cependant, le nombre d'étoiles contenues dans une coquille sphérique de rayon croissant augmente précisément comme le carré de la distance. Ces deux effets se compensent : chaque couche de l'Univers devrait donc apporter approximativement la même quantité de lumière au ciel. De fait, plus on regarde loin dans l'espace, plus le nombre d'étoiles contenues dans un volume donné augmente rapidement. Dans un univers infini et peuplé d'étoiles réparties de manière homogène, chaque couche sphérique de plus en plus éloignée compenserait exactement la diminution de luminosité due à la distance. En théorie, chacune de ces couches devrait donc contribuer autant que les autres à l'éclairement du ciel. La somme de toutes ces contributions rendrait la voûte céleste aussi brillante que la surface d'une étoile mais ce n’est évidemment pas le cas.

De nombreuses explications furent avancées par les scientifiques au fil des siècles :

. la lumière des étoiles est probablement absorbée par les nuages de gaz et de poussière qu’elle trouve sur son chemin. C’est une explication assez intuitive mais qui ne résiste pas à une analyse thermodynamique : en effet, si la matière rencontrée absorbait continuellement de la lumière, elle finirait par se réchauffer et en conséquence par rayonner à son tour toute l’énergie qu’elle aurait reçue et le ciel serait tout autant lumineux,

. la lumière se « fatigue » progressivement et perdrait son énergie durant son périple à travers l’espace mais aucun mécanisme crédible n’a jamais été trouvé pour accréditer cette thèse,

. il existe un nombre fini d’étoiles : si la population stellaire était limitée, en effet, cela supprimerait le paradoxe mais entrerait alors en contradiction avec la notion le plus souvent admise d’un univers infini,

. la distribution des étoiles n’est pas homogène car celles-ci pourraient appartenir à des systèmes eux-mêmes finis ou, autre suggestion, leur densité pourrait diminuer au fur et à mesure que leur distance augmente.

Toutes ces hypothèses fausses ont peu à peu été délaissées sans que le paradoxe ne soit résolu. Il faudra attendre l’époque moderne pour comprendre exactement de quoi il s’agit.

Résolution du paradoxe d’Olbers

traduction simplifiée du texte de droite : 1. on ne peut pas voir les étoiles les plus lointaines car leur lumière n'a pas encore eu le temps de nous parvenir (l'Univers n’est pas infiniment ancien) 2. la limite de l'univers observable est "l'horizon". La distance de l'horizon change constamment

crédits : slideserve.com

La raison fondamentale de la résolution du paradoxe d’Olbers est que l'Univers possède un passé fini. Nous ne pouvons recevoir que la lumière émise depuis un temps limité, et toutes les régions du cosmos n'ont donc pas encore eu le temps de contribuer à l'éclairement du ciel. Trois faits jusqu’alors inconnus des scientifiques avant l’époque moderne peuvent à présent être avancés :

L’univers n’est pas éternel : il a un âge fini qui est d’environ 13,8 milliards d’années et il n’est pas assez vieux pour que la lumière des étoiles les plus éloignées ait eu, depuis le Big bang le temps de nous parvenir. Une grande partie de l’univers est donc encore invisible pour nous.

Les étoiles n’ont pas toujours existé : nous avons déjà eu l’occasion d’aborder le problème des première étoiles (voir l’article : « les étoiles de Population trois, premières lueurs du cosmos »), il a fallu 100 à 200 millions d’années pour les voir apparaître et il existe donc une époque où aucune étoile n’éclairait le cosmos.

L’Univers est en expansion : depuis peu (les années 1920 avec Edwin Hubble) nous savons que les galaxies lointaines s’éloignent de nous et ce d’autant plus vite qu’elles sont éloignées : c’est le décalage vers le rouge de leur lumière (redshift) qui en atteste. L'expansion de l'Univers étire en effet la longueur d'onde de la lumière durant son voyage. Ce décalage vers le rouge réduit l'énergie des photons reçus et repousse une partie du rayonnement hors du domaine visible, d’où un ciel devenu beaucoup plus sombre. De plus, nous avons à présent la certitude que, non seulement l’Univers est en expansion mais que ce mouvement s’accélère (voir l’article : « l’expansion de l’Univers »).

Le ciel n'est d'ailleurs pas complètement noir. L'Univers tout entier baigne dans le rayonnement fossile du Big bang, découvert en 1965 par Wilson et Penzias (voir le sujet : « fond diffus cosmologique »). Simplement, ce rayonnement est aujourd'hui refroidi à 2,7 kelvins et rayonne dans le domaine des micro-ondes, invisible à nos yeux.

Le paradoxe d’Olbers n’est pas un paradoxe

Chaque fois que nous levons les yeux vers un ciel noir, nous observons en réalité la limite de ce que la lumière a eu le temps de nous révéler depuis le commencement de l'Univers mais, bien sûr, les grands savants qui se penchèrent jadis sur la question n’avaient pas suffisamment d’informations pour y répondre correctement.

En fait, l’obscurité d’un ciel nocturne est l’une des preuves les plus flagrantes que l’Univers n’est pas fini dans le temps et qu’il n’est pas non plus immuable. Ce qui semblait relever d’un paradoxe est devenu l’une des indications majeures de la cosmologie : si la nuit est noire ce n’est certainement pas parce que l’Univers est trop pauvre en étoiles mais parce qu’il a un âge, une histoire, une évolution. Si le ciel nocturne n’est pas une immense étendue dorée, c’est précisément parce que les étoiles n’ont pas toujours existé. Pour la plupart d’entre elles leur lumière n’a pas encore eu le temps de nous parvenir depuis toutes les régions du cosmos. Et cette obscurité est l’une des preuves indirectes que le Big bang a bien existé.

En résumé, si la nuit est noire, ce n’est pas parce que l’Univers manque d’étoiles mais parce qu’il a une histoire…

Le fond diffus cosmologique observé par la sonde WMAP. Cette faible lueur micro-onde constitue le plus ancien rayonnement observable de l'Univers.
Crédit : NASA / WMAP Science Team.

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