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Pourquoi le ciel est-il noir la nuit ? 200 ans depuis l’histoire d’une question qui a changé notre compréhension de l’univers

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Pourquoi le ciel est-il noir la nuit ?  200 ans depuis l’histoire d’une question qui a changé notre compréhension de l’univers

Alors que l’aube se levait sur la ville allemande de Brême le 7 mai 1823, Henri Olbers Il a finalisé un article qui a laissé son nom dans l’histoire. Après le décès de sa femme et de sa fille, le Dr Olbers a récemment abandonné son métier d’ophtalmologiste pour se consacrer à ses passions nocturnes : les étoiles, la lune, les météorites et les comètes.

Comme beaucoup de ses pairs, Olbers s’est formé à l’astronomie. a obtenu solide réputation Dans le monde universitaire, il passait de longues nuits à regarder le ciel depuis l’observatoire au deuxième étage de sa maison.

Ce matin-là, Olbers est arrivé à une conclusion bizarre : sur la base de tout ce que l’on savait sur l’univers à l’époque, le ciel ne devrait pas être sombre. En fait, tous les cieux étaient censés briller aussi brillamment que le soleil.

Olbers était Pas le premier pour constater ce décalage. Mais c’est son nom que nous lui attachons aujourd’hui. Le mystère de l’obscurité dans le ciel nocturne s’est répété à travers les siècles, des Olber et du poète Edgar Allan Poe aux astronomes et aux sondes spatiales du XXe siècle.

Une lumière finie dans un univers infini

Comme beaucoup de ses contemporains, Olbers a emboîté le pas Isaac Newton et René Descartes Dans la conviction que l’univers était infini.

Si l’univers était fini et stationnaire, alors la force de gravité devrait maintenir toutes les étoiles ensemble en un point central. Mais si l’univers s’étendait indéfiniment, les forces gravitationnelles s’équilibreraient en moyenne dans toutes les directions.

Mais Olbers s’est rendu compte que ce modèle de l’univers ne correspondait pas aux observations. Dans un univers infini rempli d’un nombre infini d’étoiles, partout où nous regardons la nuit, notre regard doit se poser sur la surface d’une étoile, tout comme toute ligne de visée dans la forêt se termine sur un arbre.

Dans une forêt infinie, chaque ligne de mire mène à un tronc d’arbre. Dans un univers infini, en est-il de même pour les étoiles ?
iciEt CC PAR

C’est le problème qu’Olbers a soulevé dans son pays papier 7 mai 1823 : Le modèle cosmologique du temps suggérait que chaque point du ciel devait être aussi brillant que la surface du soleil. Qu’il n’y ait pas de nuit.

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Olbers a proposé une solution : la lumière des étoiles lointaines serait absorbée par la poussière ou d’autres matières flottant dans l’espace. L’astronome anglais John Herschel a souligné plus tard que cela ne pouvait pas être vrai, car tout ce qui absorbait autant de lumière finirait par devenir suffisamment chaud pour briller.

Lorsque Olbers mourut le 2 mars 1840, à l’âge de 81 ans, le mystère que nous connaissons aujourd’hui sous le nom de Paradoxe d’Olber n’était toujours pas résolu.

l’intuition du poète

Huit ans plus tard, de l’autre côté de l’Atlantique, le poète et écrivain Edgar Allan Poe Il pense avoir trouvé une réponse. Le 3 février 1848, il donna une conférence publique sur ses idées à 60 personnes à la New York Society Library.

Entre métaphysique et science, Poe soutenait que l’univers était issu d’un seul état de la matière (« monothéisme ») qui avait été dispersé et dispersé par l’action d’une force répulsive.

Cela signifie que l’univers était une sphère finie de matière. Si l’univers fini était peuplé d’un nombre suffisamment petit d’étoiles, nous n’en verrions pas une dans toutes les directions où nous regardons. La nuit pourrait redevenir noire.

Même si nous supposons que l’univers est infini, s’il a commencé quelque part dans le passé, alors Le temps qu’il faut à la lumière pour nous atteindre Cela limitera la taille de l’univers que nous pouvons voir. Ce temps de parcours créerait un horizon au-delà duquel les étoiles lointaines resteraient inaccessibles.

L’audience de Poe à la New York Society Library ne lui a pas donné l’accueil enthousiaste qu’il espérait. Plus tard dans la même année, il publie ses théories dans The Prose Poem eurêkaqui a beaucoup circulé.

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L’année suivante, le 7 octobre 1849, Poe mourut à l’âge de quarante ans. Plus d’un siècle s’est écoulé avant que les scientifiques ne confirment son intuition sur le mystère du ciel nocturne.

Deux vérités et demie

Dans la première moitié du XXe siècle, de nombreuses nouvelles théories sur l’univers ont été développées, stimulées par la théorie de la relativité générale d’Einstein, qui expliquait la gravité, l’espace et le temps de nouvelles façons. Dans la seconde moitié du siècle, ces théories cosmologiques ont commencé à être testées par des observations.

en 1963, L’astronome britannique Peter Scheuer Il a soutenu que la cosmologie était basée sur seulement « deux faits et demi »:

  • Fait 1 : Le ciel nocturne est sombre, ce que l’on sait depuis un certain temps
  • Fait 2 : les galaxies Éloignez-vous les uns des autrescomme en témoignent les observations de Hubble publiées en 1929
  • Fait 2.5 : Il est possible que le contenu de l’univers évolue avec l’évolution du temps cosmique.

De violents désaccords sur l’interprétation des faits 2 et 2.5 ont enthousiasmé la communauté scientifique dans les années 1950 et 1960. L’univers était-il essentiellement statique ou a-t-il commencé par une explosion massive – un big bang ? Les partisans des deux camps ont cependant admis qu’ils avaient besoin d’expliquer l’obscurité du ciel nocturne.

L’âge des étoiles

Le cosmologiste britannique Edward Harrison résolution de conflit en 1964. ont montré que le principal facteur déterminant la luminosité du ciel nocturne est, en fait, l’âge fini des étoiles.

Le nombre d’étoiles dans l’univers visible est extra large, mais c’est limité. Ce nombre fini, chacun brûlant pendant un temps fini, étalé sur une taille immense, laisse l’obscurité se manifester parmi les étoiles.

Harrison plus tard réalisé Cette solution a en fait été proposée non seulement par Edgar Allan Poe, mais par le physicien britannique Lord Kelvin en 1901.

Les observations des années 1980 ont confirmé la décision proposée par Poe, Kelvin et Harrison. C’était le paradoxe d’Olber Enfin, il a été inhumé.

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lumière fossile

Ou peut-être pas tout à fait. Vu sous un angle différent, il existe une autre solution au paradoxe : le ciel nocturne n’est pas si sombre après tout.

Après avoir découvert l’expansion de l’univers à la fin des années 1920, les scientifiques ont réalisé que l’univers aurait pu commencer par être extrêmement compact, dense et chaud. C’est le modèle « hot big bang » que nous avons aujourd’hui.

L’une des principales prédictions de ce modèle est la présence de « lumière fossile » émise dans l’aube cosmique. Cette lumière fossile devrait être visible aujourd’hui – mais pas à l’œil nu, car l’univers en expansion l’aurait convertie en longueurs d’onde plus longues.

Vue à travers le rayonnement micro-ondes, notre galaxie, la Voie lactée, domine le ciel. Mais derrière elle, nous pouvons voir la faible lueur du fond cosmique des micro-ondes.
Fédérations ESA, HFI et LFIEt CC PAR

Ce rayonnement – le fond diffus cosmologique – était Il a été découvert en 1964. maintenant mesuré en Précision brillanteLe rayonnement de fond cosmique est la lumière la plus répandue dans l’univers.

Nous savons maintenant que l’univers est aussi lumineux Une deuxième lumière de fond plus tamisée, produit par les galaxies lors de leur formation et de leur évolution. Cette lumière est appelée fond cosmique ultraviolet, optique et infrarouge.

On peut donc aussi répondre au paradoxe d’Olber en disant que le ciel n’est pas sombre, mais faiblement lumineux avec Faible rayonnement résiduel De tout ce qui s’est passé au cours de la durée de vie finie de l’univers.

Nouvelles réponses, nouvelles questions

En 2023, le paradoxe d’Olber est devenu un riche domaine de recherche. Dans notre propre travail, nous effectuons des mesures plus précises de la luminosité du ciel nocturne et simulons les étoiles de l’univers avec des supercalculateurs. Nous pouvons maintenant préciser Nombre d’étoiles dans le ciel avec une grande précision.

Cependant, des mystères demeurent. L’année dernière, la sonde spatiale New Horizons, au-delà de l’orbite de Pluton et loin de la poussière du système solaire interne, a découvert que le ciel deux fois la luminosité Comme on s’y attendait.

Ainsi, la question de l’obscurité du ciel persiste, transcendant les époques et les cultures.

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Une source de cristaux liquides de paires de photons

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La conversion ascendante paramétrique spontanée (SPDC), en tant que source de photons intriqués, présente un grand intérêt pour la physique quantique et la technologie quantique, mais jusqu’à présent, elle ne peut être mise en œuvre que dans des matériaux solides. Des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière (MPL) et de l’Institut Josef Stefan de Ljubljana, en Slovénie, ont démontré pour la première fois la SPDC dans un cristal liquide. Les résultats ont été récemment publiés dans natureouvrent la voie à une nouvelle génération de sources quantiques : efficaces et accordables par champs électriques.

Diviser un photon en deux est l’un des outils les plus utiles en photonique quantique. Il peut créer des paires de photons intriqués, des photons uniques, de la lumière compressée et des états photoniques encore plus complexes, essentiels aux technologies photoniques quantiques. Ce processus est connu sous le nom de conversion abaisseur automatique (SPDC).

Le SPDC est étroitement lié à la symétrie centrale. Il s’agit de la symétrie par rapport à un point – par exemple, un carré est symétrique au centre mais pas un triangle. Essentiellement, en divisant un photon en deux, le SPDC brise la symétrie centrale. Par conséquent, cela n’est possible que dans les cristaux dont la cellule primaire est asymétrique au centre. La SPDC ne peut pas se produire dans les liquides ou les gaz ordinaires, car ces matériaux sont isotropes.

Cependant, des chercheurs ont récemment découvert des cristaux liquides de structure différente, appelés cristaux liquides nématiques ferroélectriques. Bien qu’ils soient fluides, ces matériaux se caractérisent par une forte rupture de symétrie centrale. Leurs molécules sont allongées, asymétriques et surtout, elles peuvent être réorientées par un champ électrique externe. La réorientation des molécules modifie la polarisation des paires de photons générées, ainsi que le taux de génération. Avec un conditionnement approprié, un échantillon de ces matériaux peut constituer un dispositif extrêmement utile car ils produisent efficacement des paires de photons, peuvent être facilement réglés à l’aide d’un champ électrique et peuvent être intégrés dans des dispositifs plus complexes.

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À l’aide d’échantillons préparés à l’Institut Josef Stefan (Ljubljana, Slovénie) à partir de cristaux liquides nématiques ferroélectriques fabriqués par Merck Electronics KGaA, des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière ont appliqué pour la première fois la SPDC à un cristal liquide. . L’efficacité de génération de photons intriqués est aussi élevée que celle des meilleurs cristaux non linéaires, tels que le niobate de lithium, d’épaisseur similaire. En appliquant un champ électrique de quelques volts seulement, ils ont pu activer et désactiver la génération de paires de photons, ainsi que modifier les propriétés de polarisation de ces paires. Cette découverte marque le début d’une nouvelle génération de sources lumineuses quantiques : flexibles, accordables et efficaces.

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Le framework CUISINES pour les projets de comparaison de modèles exoplanétaires, version 1.0

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Le framework CUISINES pour les projets de comparaison de modèles exoplanétaires, version 1.0

Illustration de la conception expérimentale générale du CREME exoMIP (Tsigaridis et al. en préparation), comme exemple de la façon dont l’exoMIP peut être structuré pour permettre une large participation communautaire. — Ph.EP astronomique

Alors que le télescope spatial James Webb commence à renvoyer des observations, il est plus important que jamais que les modèles climatiques exoplanétaires soient capables de prédire de manière cohérente et correcte l’observabilité des exoplanètes, de récupérer leurs données et d’interpréter les environnements planétaires à partir de ces données.

Les comparaisons entre modèles jouent un rôle crucial dans ce contexte, surtout à l’heure où peu de données sont disponibles pour valider les prédictions des modèles. Le groupe de travail CUISINES du Nexus for Exoplanet System Science (NExSS) de la NASA soutient une approche systématique pour évaluer les performances des modèles d’exoplanètes et fournit ici un cadre pour mener des projets d’intercomparaison de modèles d’exoplanètes organisés par la communauté (exoMIP).

Le cadre CUISINES adapte spécifiquement les pratiques de la communauté climatique terrestre pour répondre aux besoins des chercheurs exoplanétaires, y compris une gamme de types de modèles, de cibles planétaires et d’études spatiales paramétriques. Son objectif est d’aider les chercheurs à travailler collectivement, équitablement et ouvertement pour atteindre des objectifs communs.

Le cadre CUISINES repose sur cinq principes : 1) Définir à l’avance la ou les questions de recherche que exoMIP vise à aborder. 2) Créer une conception pilote qui maximise la participation de la communauté et en faire la publicité largement. 3) Planifiez un calendrier de projet qui permet à tous les membres d’exoMIP de participer pleinement. 4) Créer des produits de données à partir des résultats du modèle pour une comparaison directe avec les observations. 5) Créez un plan de gestion des données applicable aujourd’hui et évolutif à l’avenir.

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Au cours des premières années de son existence, CUISINES fournit déjà un soutien logistique à 10 exoMIP et continuera à organiser des ateliers annuels pour approfondir les commentaires de la communauté et présenter de nouvelles idées d’exoMIP.

Linda E. Sohl, Thomas J. Fuchez, Sean Domagal-Goldman, Duncan A. Christie, Russell Detrick, Jacob Haque-Misra, C.E. Harman, Nicholas Iero, Nathan J. Mayne, Costas Tsigarides, Geronimo L. Villanueva, Ambre V. Jeune, Guillaume Chaverot

Commentaires : 14 pages, deux numéros
Sujets : Astrophysique terrestre et planétaire (astro-ph.EP) ; Instruments et méthodes astrophysiques (astro-ph.IM)
Citer comme : arXiv:2406.09275 [astro-ph.EP] (ou arXiv :2406.09275v1 [astro-ph.EP] pour cette version)
Date de soumission
Qui : Linda Suhl
[v1] Jeudi 13 juin 2024, 16:14:22 UTC (903 Ko)
https://arxiv.org/abs/2406.09275
Astrobiologie

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

Le Protocole de Montréal de 1987 a réglementé avec succès les CFC nocifs pour la couche d’ozone afin de protéger la couche d’ozone, réduisant ainsi le trou d’ozone au-dessus de l’Antarctique, et une reprise est attendue dans les 50 prochaines années.

Cependant, de nouvelles recherches de Université de Californie du Sud Ecole d’Ingénieurs de Viterbi Il a montré que ces oxydes ont été multipliés par huit entre 2016 et 2022 et continueront de s’accumuler à mesure que le nombre de satellites en orbite terrestre basse (LEO) augmentera, mettant ainsi la couche d’ozone en danger dans les décennies à venir.

Les chercheurs ont expliqué que sur 8 100 objets en orbite terrestre basse, 6 000 sont des satellites Starlink lancés au cours des dernières années et que la demande d’une couverture Internet mondiale entraîne une augmentation rapide du lancement d’essaims de petits satellites de communication.

SpaceX est le leader de ce projet, avec l’autorisation de lancer 12 000 satellites Starlink supplémentaires et jusqu’à 42 000 satellites prévus. Amazon et d’autres sociétés dans le monde envisagent également de créer des constellations allant de 3 000 à 13 000 satellites, ajoutent les auteurs de l’étude.

Les satellites Internet ont une durée de vie d’environ cinq ans seulement, les entreprises doivent donc lancer des satellites de remplacement pour maintenir le service Internet, ce qui poursuit un cycle d’obsolescence programmée et de contamination imprévue, ont indiqué les chercheurs.

Les oxydes d’aluminium déclenchent des réactions chimiques qui détruisent l’ozone stratosphérique, qui protège la Terre des rayons ultraviolets. Les oxydes ne réagissent pas chimiquement avec les molécules d’ozone, mais conduisent plutôt à des réactions destructrices entre l’ozone et le chlore, conduisant à l’appauvrissement de la couche d’ozone.

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Étant donné que les oxydes d’aluminium ne sont pas consommés dans ces réactions chimiques, ils peuvent continuer à détruire molécule après molécule d’ozone pendant des décennies à mesure qu’ils dérivent dans la stratosphère, ont indiqué les chercheurs.

« Ce n’est que ces dernières années que les gens ont commencé à penser que cela pourrait devenir un problème », a déclaré Joseph Wang, chercheur en astronautique à l’Université de Californie du Sud et auteur correspondant de l’étude, dans un communiqué. « Nous avons été l’une des premières équipes à considérer les implications de ces faits. »

Puisqu’il est impossible de collecter des données sur des engins spatiaux en feu, des études antérieures ont utilisé des analyses de micrométéorites pour estimer la contamination potentielle. Cependant, les chercheurs ont indiqué que les micrométéorites contiennent très peu d’aluminium, un métal qui représente 15 à 40 % de la masse de la plupart des satellites. Ces estimations ne s’appliquent donc pas bien aux nouveaux satellites.

Au lieu de cela, les chercheurs ont modélisé la composition chimique et les liaisons au sein des matériaux satellites lors de leurs interactions aux niveaux moléculaire et atomique. Les résultats ont permis aux chercheurs de comprendre comment la matière change avec différents apports d’énergie.

L’étude a été financée par NASAIl a été constaté qu’en 2022, la rentrée des satellites a augmenté la quantité d’aluminium dans l’atmosphère de 29,5 % au-dessus des niveaux normaux.

La modélisation a montré qu’un satellite typique de 250 kg avec 30 pour cent de sa masse d’aluminium générerait environ 30 kg de nanoparticules d’oxyde d’aluminium (taille de 1 à 100 nanomètres) lors de la rentrée. La plupart de ces particules sont générées dans la mésosphère, entre 50 et 85 kilomètres (30 à 50 miles) au-dessus de la surface de la Terre.

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L’équipe a ensuite calculé que, en fonction de la taille des particules, il faudrait jusqu’à 30 ans pour que les oxydes d’aluminium dérivent jusqu’aux hauteurs stratosphériques, où se trouvent 90 % de l’ozone troposphérique.

Les chercheurs estiment qu’au moment où les constellations de satellites actuellement prévues seront achevées, 912 tonnes d’aluminium tomberont sur Terre chaque année. Cela libérerait environ 360 tonnes d’oxydes d’aluminium par an dans l’atmosphère, soit une augmentation de 646 % par rapport aux niveaux naturels.

L’étude a été publiée dans la revue en libre accès AGU Lettres de recherche géophysiqueentièrement lisible ici.

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