Je pense donc ...l'Univers est en expansion.

La semaine dernière, je participais au congrès annuel de la Société canadienne d'astronomie à Kingston. Près de 200 présentations, orales ou sous forme d'affiches, y ont été présentées. Comme il arrive à l'occasion dans ce genre d'événement, les propos d'un conférencier stimulent parfois notre imagination dans une direction inattendue. Ainsi, pendant qu'un des conférenciers parlait de matière et d'énergie sombres, je me suis mis à réfléchir à une variation sur le thème du "paradoxe d'Olbers". Voici le fruit de cette réflexion.

Le paradoxe d'Olbers tire son origine des travaux d'un astronome allemand du 19e siècle, H.W.M. Olbers, et porte sur la question suivante "Pourquoi la nuit est-elle sombre ?". À première vue la réponse semble évidente! Il fait noir la nuit parce que le Soleil est couché et n'éclaire pas le ciel. Cependant, comme l'avait initialement remarqué Johannes Kepler dans les années 1600, la réponse à la question est beaucoup plus subtile et dérangeante qu'il n'y parait.

Vers la fin du 19e siècle, on considère que l'Univers est statique (pas d'expansion ou de contraction) et s'étend à l'infini dans toutes les directions. Donc, quelle que soit la direction vers laquelle un observateur dirige son regard, sa ligne de visée doit nécessairement intercepter la surface d'une étoile. Puisque les étoiles sont brillantes, le ciel de la nuit devrait donc être aussi brillant que la surface du Soleil. D'où le paradoxe de la noirceur de la nuit décrit par Olbers dans un de ses articles scientifiques.

Une autre manière de présenter le paradoxe est la suivante. Si l'Univers est infini, il contient un nombre infini d'étoiles. Plus les étoiles sont éloignées de la Terre, moins elles semblent brillantes. L'intensité de la lumière des étoiles diminue selon le carré de leur distance (1/r²) par rapport à l'observateur. Toutefois, le nombre d'étoiles augmente proportionnellement au volume d'espace, donc en fonction du cube de la distance (r³). Donc, même si l'intensité des étoiles lointaines est plus faible, cet effet est largement compensé par l'augmentation du nombre d'étoiles. Le résultat net est que le ciel de la nuit devrait être brillant plutôt que sombre.

La clé du paradoxe réside dans l'hypothèse d'un Univers statique et infini. Nous savons aujourd'hui que l'Univers existe depuis environ 13.7 milliards d'années. Puisque la vitesse de la lumière n'est pas infinie, nous pouvons seulement observer des étoiles jusqu'à une distance maximum de 13.7 milliards d'années-lumière. Il s'agit évidemment d'une très grande distance, mais cette distance n'est pas infinie. Le volume de l'Univers observable renferme donc un nombre grand mais fini d'étoiles (environ 1000 à 10,000 milliards de milliards d'étoiles). Ces étoiles contribuent à la brillance du ciel nocturne, mais puisque leur nombre n'est pas infini, le ciel de la nuit est moins lumineux que la surface d'une étoile.

L'expansion de l'Univers contribue aussi à la noirceur de la nuit. Ainsi, parce que l'espace-temps est en expansion, la contribution des étoiles lointaines à la brillance du ciel est beaucoup moins importante que celle prévue dans le cas d'un Univers statique. Les étoiles situées dans des galaxies lointaines s'éloignent de nous à des vitesses qui frôlent celle de la lumière. Cette lumière stellaire est diluée par l'expansion de l'Univers et son intensité est donc nettement moins grande.

Maintenant, revenons à "Je pense donc...l'Univers est en expansion". Comme le montre la solution du paradoxe d'Olbers, si l'âge de l'Univers n'était pas fini et que celui-ci n'était pas en expansion, la nuit devrait être aussi lumineuse que la surface d'une étoile. Dans de telles conditions, l'évolution stellaire serait radicalement différente et l'évolution de la vie sur des planètes serait carrément impossible.

En effet, imaginons que l'on puisse transporter notre système solaire dans cet hypothétique Univers infini, statique, et donc lumineux. Le Soleil et les planètes seraient alors plongés dans un bain de rayonnement dont la température est équivalente à celle de la surface d'une étoile. Or, selon la 2e loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule des régions chaudes vers les régions froides. Le Soleil devrait donc augmenter le taux de réactions nucléaires et se réchauffer afin de pouvoir rayonner dans l'espace. Quant aux planètes, leur surface serait chauffée à une température de plusieurs milliers de degrés jusqu'à ce qu'elles disparaissent complètement.

Dans un tel Univers, la vie serait donc impossible. Pas de structures, pas de planètes, pas de bactéries, pas d'animaux, pas d'intelligence pour réfléchir sur cet Univers !

Notre existence et le fait que nous puissions y réfléchir représentent donc des arguments très forts en faveur de l'expansion et d'un âge fini pour l'Univers. Voilà de quoi laisser songeur en contemplant la voûte étoilée pendant les belles nuits d'été...