Le paradoxe d’Olbers, également connu sous le nom de paradoxe du ciel nocturne sombre, est le nom donné au problème consistant à expliquer pourquoi le ciel est sombre la nuit. Le puzzle a été posé pour la première fois à une époque où l’on supposait que l’univers était statique, infini en étendue et infiniment ancien. Sur la base de ces hypothèses, il semblerait que le ciel devrait être brillant, car il y aurait un nombre infini d’étoiles qui couvriraient chaque point du ciel. Le paradoxe porte le nom de Heinrich Olbers, qui, en 1826, a déclaré que chaque ligne de vue se terminerait par une étoile, rendant le ciel lumineux. Le problème, cependant, s’était posé plusieurs fois auparavant dans l’histoire de l’astronomie, remontant au XVIe siècle.
La première référence connue au paradoxe vient de l’astronome Thomas Digges en 1576, qui a rencontré le problème dans sa description d’un univers infini avec une distribution aléatoire d’étoiles. En 1610, Johannes Kepler a cité ce qui allait devenir le paradoxe d’Olbers pour montrer que l’univers doit être fini. Il semblait cependant y avoir un problème avec un univers fini, à savoir qu’il s’effondrerait sur lui-même en raison de l’attraction gravitationnelle des étoiles et des planètes qu’il contient. La plupart des astronomes ont donc supposé que l’univers était infini et donc le paradoxe est resté.
Les premières suggestions selon lesquelles la plupart des étoiles étaient trop éloignées pour être vues ont été rapidement rejetées. Si l’univers était infiniment ancien, la lumière des étoiles aurait un temps infini pour nous atteindre, de sorte que même les étoiles les plus éloignées contribueraient à un ciel brillant. On peut montrer mathématiquement que pour un univers infini avec des étoiles uniformément réparties, tout le ciel doit être aussi brillant qu’une étoile moyenne. L’éclat des étoiles diminue avec la distance, mais le nombre d’étoiles augmente avec la distance, sans limite dans un univers infini. Les effets s’annulent, laissant un ciel lumineux.
Diverses autres tentatives ont été faites pour résoudre le puzzle au cours des cent prochaines années. Une première tentative d’explication était que la plupart de la lumière des étoiles était obscurcie par la poussière. S’il est vrai que les nuages de poussière de notre galaxie en bloquent la vue, s’il y avait un nombre infini d’étoiles, toute la poussière finirait par chauffer et briller, tout comme les étoiles.
Une autre suggestion était que les étoiles n’étaient pas distribuées au hasard, mais étaient disposées en groupes avec de grands vides entre les deux. Nous savons maintenant que c’est effectivement le cas : les étoiles sont regroupées en galaxies, qui sont regroupées en amas et superamas. À plus grande échelle, cependant, l’univers est homogène et le paradoxe d’Olbers, tel que décrit par Olbers lui-même, stipule que chaque ligne de vue doit se terminer par une étoile. Ainsi formulé, il est clair qu’un groupement non aléatoire d’étoiles ne pourrait expliquer le ciel sombre que si les étoiles étaient alignées les unes derrière les autres, se bloquant mutuellement la lumière – un scénario que personne ne pourrait prendre au sérieux.
Ce n’est qu’après la découverte par Edwin Hubble, en 1929, que l’univers est en expansion qu’une résolution du paradoxe d’Olbers s’est présentée. On sait maintenant que l’univers observable s’étend à un rythme qui augmente avec la distance et, en regardant en arrière dans le temps, nous arrivons à un point de volume minuscule et de densité énorme. Cela donne deux raisons pour lesquelles le ciel est sombre. La première raison, et la plus importante, est que l’univers a un âge fini, il n’y aurait donc pas eu le temps pour la lumière des étoiles au-delà d’une certaine distance de nous atteindre. Une deuxième raison est que l’expansion de l’univers entraîne un décalage Doppler de la lumière des étoiles qui augmente avec la distance ; au-delà d’une certaine distance, toute la lumière serait déplacée au-delà du spectre visible, rendant toutes les étoiles invisibles.