Paradoxe d'Olbers
Le paradoxe d'Olbers est une contradiction apparente entre la constatation que la nuit le ciel est noir et un univers statique et infini comme il était supposé à l'époque.
Il est nommé ainsi en l'honneur de l'astronome allemand Heinrich Olbers qui le décrivit en 1823 mais qui était déjà connu par Kepler en 1610 ainsi que Halley et Chéseaux au XVIIIe.
exposition du paradoxe
Si on suppose un univers infini contenant une infinité d'étoiles uniformément réparties, alors chaque ligne de vue devrait aboutir à la surface d'une étoile. La luminosité observée d'une surface est indépendante de la distance à laquelle on l'observe (surface apparente vs nombre d'étoile? non car moitié du problème : ....). Donc, selon cette hypothèse, le ciel nocturne devrait être aussi brillant que la surface d'une étoile moyenne, notre soleil ou une autre quelconque de la voie lactée par exemple.
Ce paradoxe est important, une théorie cosmologique qui ne saurait pas le résoudre serait évidemment invalide. Inversement, une théorie qui résoud le paradoxe n'est pas nécessairement valide : pour cela il lui leur faut également être compatibles avec d'autres observations cosmologiques ou physiques.
Solutions
On peut d'abord supposer, comme Kepler, que l'univers est fini ou du moins qu'il contient un nombre fini d'étoiles.
Une variante plus récente (Cette théorie semble avoir été suggérée pour la première fois par l'écrivain et poète Edgar Allan Poe) avance le fait que chaque étoile ne possède qu'une quantité finie de matière et donc ne brille que durant une période finie de temps. Cependant pour résoudre le paradoxe il faut encore supposer que les étoiles ne sont pas continuellement créées dans l'univers (on retrouve la finitude de l'univers).
On peut ensuite supposer que « l'étoile moyenne » n'émet pas de radiations visibles par notre œil, et qu'une fraction significative n'émet que dans l'infra-rouge et en deça, ou dans l'ultra-violet et au-delà, tout en absorbant les radiations visibles émisent par d'autres étoiles « derrière ». L'observation du décalage vers le rouge (autre observation importante que toute théorie doit expliquer) conforte cette idée : plus l'étoile est lointainte, plus elle a de chance d'émettre dans une fréquence invisible à nos yeux, et le résultat est un ciel majoritairement noir.
Une variante est de 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 que percevoir la lumière provenant d'une distance finie (comme dans un brouillard). Bien sur, l'hypothétique milieu non-transparent devrait s'échauffer en absorbant la lumière et réémettre cette énergie sous une autre forme (comme le ciel parait bleu le jour à cause de l'atmosphère) : il suffirait que cette forme ne soit pas de la lumière visible pour résoudre le paradoxe. Cette explication a été avancée pour expliquer le fond cosmologique micro-onde, qui est isotrope à au moins 99,99% de probabilité.
On peut aussi rappeller que le paradoxe suppose une distribution uniforme des étoiles (permettant d'assurer que toute ligne de vue rencontre toujours une étoile). C'est très loin d'être le cas : en dépit de l'isotropie du fond cosmologique, les étoiles sont regroupées en galaxies, amas, super-amas, etc. Aussi Benoît Mandelbrot a propose d'étudier l'hypothèse que les étoiles sont distribuées selon une fractale, de telle sorte que l'univers (et notre ligne de vue) comporterait donc de grandes zones sombres sans étoiles. Signalons que les travaux de Laurent Nottale confirment la structure fractale de la distribution stellaire, sans pour autant prétendre ainsi résoudre le paradoxe.
L'explication majoritairement retenue aujourd'hui se base sur l'observation que la lumière circule à une vitesse finie. Dès lors, si les étoiles n'existent que depuis un temps fini (soit que l'univers soit lui-même d'âge fini, soit que « avant » l'univers ne contenait pas encore d'étoiles), alors seule la lumière des étoiles situées dans un volume fini (une sphère dont le rayon correspond au produit de l'âge des étoiles par la vitesse de la lumière) peut nous atteindre et le paradoxe disparait, même si l'univers reste infini. Cette explication circulait bien avant la théorie de la relativité et la théorie du big bang. Sur la base de cette hypothèse on peut calculer l'âge de l'apparition des étoiles connaissant la vitesse de la lumière, la luminosité moyenne des étoiles et la lumière reçue sur Terre.