Pourquoi la nuit estelle noire Pourquoi le ciel

Pourquoi la nuit est-elle noire ?

Pourquoi le ciel est-il noir la nuit? truisme n. m. Vérité banale, si évidente qu'elle ne mériterait pas d'être énoncée. Et pourtant ! 2

A la différence de la nuit pendant la journée, le ciel n'est évidemment pas noir. . .

Sans atmosphère, le ciel serait noir. C'est le cas sur la Lune où les étoiles, la Terre ou le Soleil se détachent parfaitement sur un ciel noir d'encre.

Depuis l’ISS

L'air qui compose l’atmosphère terrestre est constitué de molécules , de poussières et d'infimes gouttelettes d'eau. La lumière qui nous vient du Soleil est blanche, c'est-à-dire qu'elle est constituée de toutes les couleurs de l'arc-en-ciel. Selon sa longueur d'onde - elle interagit plus ou moins avec l'atmosphère. Ce sont justement les plus courtes longueurs d'onde (la lumière bleue et verte) qui sont les plus diffusées par les petites molécules de l'atmosphère. Si le ciel est bleu c'est en raison de la diffusion de Rayleigh. Elle caractérise la diffusion de la lumière par les particules dont le rayon est très petit par rapport à la longueur d'onde du rayonnement solaire. L'intensité diffusée est, d'après Rayleigh, inversement proportionnelle à la longueur d'onde (d'un facteur à la puissance quatre). Plus le rayonnement est de petite longueur d'onde, plus il est diffusé. Ainsi, comme la lumière incidente est blanche, le bleu (d'une longueur d'onde de 400 nm) sera beaucoup plus diffusé dans l'atmosphère que le rouge (d'une longueur d'onde de 800 nm).

Les molécules suffisamment petites pour permettre le mécanisme de Rayleigh sont les molécules de l’air. Majoritaires dans l'atmosphère, c'est donc à elles que l'on doit la dominance du bleu dans le ciel. Toutefois, en présence de gouttes d'eau ou d'aérosols, la diffusion de Rayleigh n'est plus valide. Dans ce cas, c'est la diffusion de Mie qui est valide. Celle-ci prouve que pour ces dimensions de molécules, la lumière diffusée conserve les caractéristiques spectrales de la lumière incidente. C'est la raison pour laquelle les nuages sont blancs.

diffusion de Rayleigh Diffusion de Mie

La nuit également, le ciel n'est pas toujours noir Cette obscure clarté qui tombe des étoiles (Pierre CORNEILLE, Cid, IV, 3)

Mais même loin de la pollution lumineuse et par une nuit sans Lune. . . le ciel n'est pas tout à fait noir : La lumière du ciel nocturne ou airglow* est la très faible émission de lumière visible par l'atmosphère de la Terre, empêchant ainsi une nuit d'être jamais totalement noire. Elle est causée par divers phénomènes physiques se produisant dans la haute atmosphère. Elle fut remarquée pour la première fois en 1868 par l'astronome suédois Anders Jonas Ångström. * Glow = lueur

Airglow dans l’Allier au cours de la nuit du 13 Août 2015 (Clame Reporter)

Il s'agit d'émission de lumière par la haute atmosphère selon trois processus : - la lumière solaire casse les molécules pendant la journée et celles-ci se recombinent la nuit en émettant de la lumière : c'est la luminescence chimique, qui représente la principale contribution à "l'airglow" - les particules électrisées du vent solaire ionisent les atomes pendant la journée et ceux-ci se recombinent la nuit en émettant de la lumière. Le phénomène est plus intense en période de forte activité solaire et il se traduit alors aux hautes latitudes par les brillantes aurores polaires - les rayons cosmiques cassent aussi les composants de la haute atmosphère qui émettent de la lumière en se recombinant

Vidéo

La lumière zodiacale est produite par la réflexion de la lumière du Soleil par les particules de poussière du milieu interplanétaire présentes dans le système solaire. Les matériaux qui la causent sont essentiellement des grains de matière éjectés par la queue cométaire de la famille de Jupiter* (à 85 %) Les astéroïdes contribuent au phénomène à hauteur de seulement 5 %, et les comètes du nuage de Oort à hauteur de 10 %. Ces poussières sont réparties dans un volume en forme de lentille centré sur le Soleil et s'étendant bien au-delà de l'orbite de la Terre. Comme la plupart de ces particules sont situées près du plan de l'écliptique, la lumière zodiacale semble principalement en provenir. *Les comètes de courte période (période inférieure à 200 ans) se regroupent en deux familles: celles de la "famille de Jupiter" ont des périodes courtes (inférieure à environ 10 ans), elles ne dépassent guère l'orbite de Jupiter (qui contrôle fortement leur mouvement) et leurs orbites sont proches du plan de l'écliptique ; celles de la "famille de Halley" ont des périodes plus longues (76 ans pour Halley).

Lumière zodiacale, vue de l'observatoire du Cerro Paranal, Chili

Comme la lumière zodiacale, le gegenschein est provoqué par la réflexion de la lumière du Soleil sur des particules de poussières situées principalement dans le plan de l'écliptique. Le gegenschein apparaît comme une faible lueur sur le ciel nocturne dans la région du Zodiaque opposée au Soleil

Gegenschein à l'Observatoire du Cerro Paranal

Pourquoi la nuit est-elle noire ? Pourquoi le ciel est-il noir ? est une question ‘’classique’’ en Astronomie. Elle permit d’aborder à partir du 17ème siècle en termes scientifiques un vieux débat qui était auparavant exclusivement du domaine de la philosophie ou de la religion : L’univers est-il fini ou infini ? Existe-t-il de toute éternité, semblable à lui-même ou a-t-il une histoire avec un début?

Archytas de Tarente. ( 428 – 347 ) Archytas pensait que le lieu et le corps sont illimités : « Si je me trouvais à la limite du ciel, autrement dit sur la sphères des fixes, pourrais-je tendre au-dehors la main ou un bâton, oui ou non ? Certes, il est absurde que je ne puisse pas le faire ; mais si j'y parviens, cela implique l'existence d'un dehors, corps ou lieu. » (selon Eudème de Rhodes, cité par Simplicios de Cilicie, Commentaire sur la Physique d'Aristote, 467, 26. )

Cieux concentriques au Moyen Age. Jusqu'au début de notre siècle, il semblait qu'un monde fini devait avoir un bord. Mais alors, qu'y avait-il au-delà de ce bord ? Les mathématiques et la physique d'aujourd'hui ont supprimé ce paradoxe : il est possible d'envisager, sans contradiction aucune, un espace fini mais sans frontière, aussi bien qu'un espace infini. Gravure coloriée par Blandine Lemoine, 1993, original au Deutsches Museum, Munich coll. Carmen © Explorer

En 1610, Johannes Kepler réfute l’idée de l’Univers infini en remarquant qu’alors, dans quelque direction que l'on regarde, il se trouverait toujours une étoile, et le ciel de la nuit ne devrait pas être noir mais brillant comme le Soleil

«. . . laissons nous aller à l'hypothèse que les étoiles fixes sont distribuées jusqu'à l'infini. . . Tout observateur, installé sur la ceinture d'Orion, et ayant notre Soleil, - le centre de l'Univers - , au dessus de sa tête, verrait au premier coup d'oeil, un océan solide, continu, d'étoiles fixes, comme si elles se touchaient les unes les autres. Ce n'est pas ainsi que le ciel nous apparaît!» Képler est le premier à signaler la luminosité quasiment solaire de la voûte céleste, comme conséquence de l'infinitude de l'univers. Mais pour lui ce n'est pas un paradoxe. C'est simplement la démonstration de la finitude de l'univers.

Képler limite le nombre des étoiles enfermant dans un monde fini, mais en 1672 Otto de Guericke imagine un autre système qu'il compare à une forèt. Au dela des dernières étoiles s'étend un espace vide infini. Entre rien, et l'espace vide, la différence est subtile, mais elle a fait polémiquer des générations de philosophes.

Pourquoi la nuit est-elle noire ? Les astronomes de la fin du XVIIème siècle ne savent plus à quelle théorie se vouer: Au point de vue de la théorie, ils sont coincés entre deux paradoxes: Ou l'univers est fini, et il devrait s'effondrer, ou il est infini, et la voute céleste devrait être entièrement couverte d'étoiles. Au point de vue de l'observation, le ciel est sombre, comme dans un univers fini, mais le nombre d'étoiles observables augmente avec la puissance des télescopes, comme dans un univers infini. Alors? . . . Alors le problème va recevoir des solutions diverses, pendant 3 siècles, et des réfutations de ces solutions, qui parfois n'en seront pas moins fausses, elles aussi

Newton Pour Newton, tous les astres attirent tous les astres, avec comme conséquence que les étoiles doivent s'attirer aussi. Mais Newton oublie qu'elles peuvent elles aussi orbiter, tout comme les planètes et les satellites, autour d'un centre de gravité (cette idée ne sera émise que par Thomas Wright en 1734) Résultat: Isaac Newton se trouve devant un vrai paradoxe: Si les étoiles s'attirent, pourquoi, ne se rassemblent elles pas en une masse commune? Newton en déduit donc que l'univers ne peut ètre fini sans s'effondrer. Mais il se rendra compte ensuite que si l'univers est infini, il est néanmoins instable si les étoiles ne sont pas régulièrement disposées, ce qui ne semble pas correspondre à l'observation.

Cette question est généralement connue sous le nom de ‘’Paradoxe d’Olbers’’, appelé aussi ‘’Paradoxe de Chéseaux-Olbers’’ ou ‘’Paradoxe de la nuit noire’’ Cette constatation ‘’le ciel nocturne est noir’’ est en contradiction avec la conception d’un monde qui serait à la fois infini et immuable d’où le qualificatif de ‘’paradoxe’’ Il a reçu ce nom de baptême dans l'ouvrage Cosmology (1952) du cosmologue anglo-autrichien Hermann Bondi en l'honneur de l'astronome allemand Heinrich Olbers qui le décrivit en 1823 mais il avait déjà été énoncé par Thomas Digges en 1576 par Johannes Kepler en 1610 ainsi que par Halley et Chéseaux au XVIIIe siècle.

Cheseaux précise ce paradoxe mathématiquement : il imagine les étoiles dans des coquilles sphériques (l'univers étant modélisé comme une série de coquilles concentriques) par rapport à un observateur. Le nombre d’étoiles est proportionnel à la surface de chaque coquille, donc au carré de leur rayon. Or, l'intensité lumineuse d'une étoile est inversement proportionnelle au carré de sa distance. Donc l'observateur reçoit autant d'énergie lumineuse de chaque coquille. De Chéseaux calcula que cette énergie lumineuse tombant sur Terre devrait être 180 000 fois plus intense que celle du soleil.

Olbers affine ce raisonnement en constatant que dans un univers rempli uniformément d'étoiles, les étoiles se masquent les unes des autres et en déduit que la luminosité du ciel nocturne ne peut pas être infinie mais au plus égale à la luminosité de surface d'une étoile On peut de nos jours calculer que cette limite de visibilité serait de l'ordre de 1018 à 1019 années-lumière c'est-à-dire bien au-delà du rayon de l'Univers observable. «S'il y a réellement des soleils dans tout l'espace infini, qu'ils soient séparés par des distances a peu près égales, ou répartis dans des systèmes de Voies lactées. leur ensemble est infini et alors, le ciel tout entier devrait être aussi brillant que le soleil. Car toute ligne que j'imagine tirée à partir de nos yeux rencontrera nécessairement une étoile fixe quelconque et par conséquent tout point du ciel devrait nous envoyer de la lumière stellaire, donc de la lumière solaire»

Dans la formulation initiale, on faisait implicitement l'hypothèse que les étoiles pouvaient briller indéfiniment. On sait aujourd'hui que c'est faux et que les étoiles ont une durée de vie finie.

Finitude du temps ou de l'espace On peut d'abord supposer, comme Kepler que l'univers est fini ou du moins qu'il contient un nombre fini d'étoiles. Une autre solution suggérée pour la première fois par l'écrivain et poète Edgar Allan Poe et indépendamment quelques années plus tard par François Arago avance le fait que si l'univers a un âge fini, alors la lumière voyageant à une vitesse grande mais finie, seule une région finie de l'univers nous est accessible, ce qui se ramène à la solution proposée par Kepler.

EUREKA ou ESSAI SUR L’UNIVERS MATÉRIEL ET SPIRITUEL

De fait, parmi les nombreuses divagations mystico-philosophiques, on trouve dans Eurêka plusieurs intuitions fulgurantes qui semblent anticiper plusieurs découvertes de la physique du XXe siècle : l’âge fini des étoiles comme explication du noir de la nuit , les trous noirs et les trous de ver, la théorie du chaos, la matière sombre, l’existence des nébuleuses extragalactiques et leurs regroupements en amas de galaxies, l’expansion de l’espace, l’atome primitif, le Big Crunch et les universphénix…* * Le Big Bounce, ou Univers phénix, est un modèle cosmologique cyclique impliquant une évolution de l'Univers menant à l'alternance entre Big Bang et Big Crunch. Dans ce modèle, un Big Crunch est immédiatement suivi d'un Big Bang Introduction de Jean-Pierre LUMINET

« Il n’y a pas d’erreur astronomique plus insoutenable, et il n’y en a pas qui ait obtenu une plus opiniâtre adhésion que celle qui consiste à se figurer l’Univers sidéral comme absolument illimité. Il me semble que les raisons qui nous le font croire limité, telles que je les ai énoncées a priori, sont irréfutables ; mais, pour n’en plus parler, l’observation seule nous montre qu’il y a, dans de nombreuses directions autour de nous, si ce n’est dans toutes, une limite positive ; ou, tout au moins, elle ne nous fournit aucun motif pour penser autrement. Si la succession des étoiles était illimitée, l’arrière plan du ciel nous offrirait une luminosité uniforme, comme celle déployée par la Galaxie, puisqu’il n’y aurait absolument aucun point, dans tout cet arrière-plan, où n’existât une étoile. Donc, dans de telles conditions, la seule manière de rendre compte des vides que trouvent nos télescopes dans d’innombrables directions est de supposer cet arrière-plan invisible placé à une distance si prodigieuse qu’aucun rayon n’ait jamais pu parvenir jusqu’à nous. Qu’il en puisse être ainsi, qui oserait s’aviser de le nier ? Je maintiens simplement que nous n’avons pas même l’ombre d’une raison pour croire qu’il en est ainsi «

Non-transparence de l'espace vis-à-vis des rayonnements Une autre explication consiste à considérer que le milieu cosmique n'est pas parfaitement transparent, de sorte que la lumière provenant des étoiles distantes est bloquée par ce milieu non-transparent (des étoiles non-lumineuses, de la poussière ou des gaz), de sorte qu'un observateur ne peut percevoir que la lumière provenant d'une distance finie (comme dans un brouillard). Cette explication est incorrecte, car le milieu devrait s'échauffer en absorbant la lumière. En fin de compte, il se retrouverait aussi chaud et aussi lumineux que la surface d'une étoile, ce qui pose à nouveau le paradoxe.

Structure non uniforme de l'Univers Le paradoxe suppose une distribution uniforme des étoiles (permettant d'assurer que toute ligne de vue rencontre toujours une étoile). Ce n'est pas le cas, car les étoiles sont regroupées en galaxies, amas, super-amas, etc. Cependant, on sait désormais qu'à grande échelle, la distribution des galaxies est uniforme, et donc les hétérogénéités dans la distribution locale des étoiles ne pourraient résoudre le paradoxe dans un Univers observable infini. Il faut donc supposer soit un Univers fini, soit un Univers infini dont seule une partie finie peut être observée.

. A partir des années 1920 avec le Grand Débat * commence le passage définitif d'un univers limité à la voie lactée, à un univers extragalactique, peuplés de galaxies présentant un effet Doppler proportionnel à leur distance. Dans ce cadre, une nouvelle solution apparait: «l'horizon de Hubble» . A une certaine distance les objets lointains paraissent s'enfuir à la vitesse de la lumière, et par conséquent, au dela de cette limite, aucune lumière n'est plus valable ; * Le « Grand Débat » est le nom donné aux discussions qui ont eu lieu dans le sur la nature de ce qui était à l'époque appelé les « nébuleuses » , et qui sont en fait des galaxies situées à l'extérieur de la Voie lactée. Le débat portait sur la nature et la distance de ces objets, et par suite de leur nature galactique ou extragalactique.

XXème siècle: solutions cosmologiques.

Solutions statiques. Hermann Bondi et Thomas Gold proposèrent en 1948 un modèle stationnaire de l'Univers en expansion qui raviva l'intérêt pour l'énigme de l'obscurité. Ce modèle postulait la création continue de matière aux dépens du rayonnement afin d'obtenir une conservation de la valeur de la densité moyenne de l'Univers au cours du temps, ce qui donnait une autre solution à l'énigme de l'obscurité, le tropplein de rayonnement issu du fond de ciel étant soit utilisé pour la synthèse de la matière interstellaire, soit transformé en rayonnement de longueur d'onde très longue par l'action du décalage vers le rouge des raies spectrales au cours du temps. Ce modèle, bien que très ingénieux et vigoureusement défendu par l'astronome anglais Fred Hoyle, fut définitivement abandonné en 1965, lors de la découverte du rayonnement fossile, malgré son explication correcte de l'énigme de l'obscurité.

Solutions dynamiques La théorie de la relativité générale prédit l'instabilité de l'Univers : expansion ou contraction. Par suite, il est possible que l'âge de l'univers soit fini, ce qui laisserait penser que l'explication de Poe et d'Arago est la bonne. En effet, la cause principale expliquant le paradoxe d'Olbers est l'âge fini de l'univers : la lumière de la plupart des étoiles n'a pas eu le temps de parvenir jusqu'à nous. En effet, comme l’Univers n’est âgé que d’environ 13, 7 milliards d’années, la lumière, dont la vitesse est finie, n’a pu parcourir depuis sa naissance qu’une distance finie et il nous est impossible d’observer des objets plus éloignés que cette valeur maximale. L’explication du paradoxe devient alors très simple : les galaxies qui sont au-delà de cette limite maximale nous sont inaccessibles et ne contribuent pas à la brillance du ciel. Il reste donc des directions de la voûte étoilée dans lesquelles notre regard ne rencontre absolument rien. Le raisonnement d’Olbers ne tient plus et le paradoxe est levé : le ciel est noir pendant la nuit car il reste un grand nombre d’intervalles vides dans la distribution des galaxies observables.

Un autre effet donne aussi une explication au paradoxe d'Olbers, mais est mineur par rapport à l'explication principale. Du fait de l'expansion de l'Univers, la lumière en provenance des galaxies lointaines est décalée vers le rouge. Ainsi, le spectre lumineux d'émission de ces galaxies nous apparait comme virant peu à peu dans les fréquences lumineuses que nous ne pouvons plus voir (typiquement les infrarouges). Ainsi, les galaxies les plus lointaines sont extrêmement difficiles à observer. Même si l'Univers était éternel et infini mais en expansion (comme dans la théorie de l'état stationnaire), la brillance de surface des astres les plus lointains décroîtrait avec la distance. Le phénomène est également vrai dans les modèles de Big Bang. Cette décroissance rapide de la luminosité des galaxies en fonction du décalage vers le rouge est effectivement observée, ce qui aide à la résolution du paradoxe d'Olbers et valide cette prédiction de la relativité générale. Le décalage vers le rouge peut être provoqué par effet Doppler-Fizeau ou par la dilatation de l'espace provoquée par l'expansion de l'Univers.

HUDF-JD 2, galaxie primordiale mise en évidence dans le cercle situé sur les trois agrandissements à droite de l'image. Son décalage vers le rouge est d'environ z=6, 5, donnant un temps de regard vers le passé de 850 millions d'années après le Big Bang

Noté z , le décalage spectral synonyme d’effet Doppler-Fizeau est aisément calculé par la formule : z = (λr – λo)/λo Où λo est la longueur d’onde normalement émise mesurée en laboratoire, et λr la longueur d’onde de la lumière reçue, mesurée par les instruments astronomiques. Si z est positif, alors le décalage se fait vers le rouge, c’est le redshift, l’astre s’éloigne. Si z est négatif, le décalage se fait vers le bleu, c’est le blueshift, l’astre se rapproche (comme pour la galaxie d’Andromède).

Merci à : Wikipédia Futura sciences luxorion http: //oncle-dom. fr/ http: //www. astronomes-auvergne. fr/ http: //www. astrosurf. com/nitschelm/index. html