Un paradoxe simple, et vieux de plusieurs siècles
Imaginons un univers infini, éternel, rempli d’étoiles à peu près partout. Si je pointe mon regard dans une direction quelconque, en avançant assez loin je finis fatalement par rencontrer une étoile : plus on regarde loin, plus il y en a. Le ciel devrait donc être partout éclairé, aussi brillant à minuit qu’en plein midi.
Ce n’est évidemment pas ce qu’on voit. Entre les étoiles visibles, la nuit est noire. L’astronome allemand Heinrich Wilhelm Olbers a formulé ce paradoxe en 1823, même si Kepler, déjà, s’en étonnait deux siècles plus tôt. Le fait qu’il fasse nuit est une information cosmologique majeure : l’univers, tel qu’on le rêve naïvement, ne peut pas être ce qu’on imagine.
L’univers a un âge
Première réponse : la lumière ne voyage pas instantanément. Elle file à 300 000 km/s, vite, mais fini. Et l’univers n’est pas éternel : il est né il y a environ 13,8 milliards d’années. La lumière d’une étoile située à 100 milliards d’années-lumière n’a donc jamais eu le temps d’arriver jusqu’à nous. Elle est toujours en route.
Quand on regarde le ciel, on ne voit que les objets dont la lumière a déjà eu le temps de parcourir la distance. Au-delà d’un certain rayon (qu’on appelle l’horizon cosmologique), il y a peut-être des myriades d’étoiles, mais leur lumière n’est pas encore là. Elles n’existent pas pour nous, pas encore. Et cette simple vérité suffit à faire apparaître d’immenses plages de ciel vraiment vides.
Le poète Edgar Allan Poe, curieusement, avait entrevu cette solution en 1848 dans son essai Eureka, avant même qu’elle ne soit formellement prouvée par la science. Il imaginait, écrivait-il en substance, que « la distance de l’arrière-plan invisible serait si immense qu’aucun de ses rayons n’a encore eu le temps de nous atteindre ».
Et il s’étire
Deuxième réponse, plus subtile : l’univers est en expansion. Depuis le Big Bang, les galaxies s’éloignent les unes des autres, et plus elles sont lointaines, plus elles s’éloignent vite. Cet étirement ne se contente pas de les emporter : il tire aussi sur la lumière elle-même. Les ondes lumineuses, en voyageant à travers un espace qui s’agrandit, s’allongent. Leur fréquence baisse, leur couleur se décale vers le rouge, puis vers l’infrarouge, puis, pour les galaxies les plus lointaines, hors du spectre visible tout court.
Ce qu’on devrait recevoir comme une lumière visible nous parvient, en fait, sous forme de micro-ondes. Si nos yeux étaient sensibles à cette longueur d’onde, le ciel ne serait pas noir : il brillerait uniformément dans toutes les directions. Cette lueur existe, nos radiotélescopes la captent. C’est le fond diffus cosmologique, et il correspond à la lumière émise environ 380 000 ans après le Big Bang, étirée sur tout le trajet.
Autrement dit : le ciel est brillant. On ne le voit pas parce que la brillance a été rougie si loin qu’elle nous est invisible. Le noir que vous observez en levant les yeux la nuit, c’est la peau de l’univers — redécoupée aux limites de nos propres yeux.