Cercles tangents dans un triangle et paradoxe d'Olbers

jacquot
Modifié (February 2023) dans Mathématiques et Physique
Saluti a tutti !
J'ai complètement délaissé ce forum qui m'occupait jour et nuit il y a quelques années... pas abandonné les mathématiques cependant, mais à doses plus raisonnables.

C'est le paradoxe d'Olbers qui me ramène vers vous, amis des Mathématiques. net. Vous le connaissez peut-être, on l'appelle aussi le paradoxe de la nuit noire. Il constituait une objection de certains astronomes à l'encontre des partisans d'un Univers peuplé d'étoiles à l'infini. Selon ces opposants, s'il y avait une infinité d'étoiles dans le ciel, on devrait rencontrer une source de lumière dans n'importe quelle direction où l'on regarde et le ciel nocturne ne pourrait plus être noir.

Personnellement, je n'ai jamais vraiment compris en quoi un nombre infini d'étoiles est en contradiction avec un ciel noir étoilé, puisque les étoiles constituent une infinité dénombrable alors que la surface de la sphère céleste (de rayon 1) a la puissance du continu.
Première objection : les étoiles ne sont pas des points sans dimension, mai elles se présentent à nous comme des petites taches de lumière de dimension plus ou moins grande suivant leur dimension intrinsèque et leur éloignement.

J’essayais donc de proposer un modèle géométrique d'une surface parsemée d'une infinité de petites taches d'aires non nulles laissant apparaître une couleur dominante noire dans quasiment toutes les directions. C'est ainsi que j'en suis venu à la construction géométrique suivante : c'est une espèce de fractale :
(j'imagine que je ne suis pas le premier à la construire et qu'elle doit porter un nom)




Dans un espace triangulaire, je commence par tracer le cercle inscrit, puis dans chacune des régions n'appartenant pas à ce cercle, je reconstruis un cercle tangent aux cercles déjà tracés ou aux côtés du triangle.
Après le cercle inscrit, j'aurai trois cercles de première génération, puis 9 cercles de 2e génération dans les triangles plus ou moins curvilignes restants etc. 
Sur la figure ci-dessus, on peut voir 3 des 9 cercles de 2e génération et, en rouge, l'un des 27 cercles de troisième génération.

Selon que les triangles soient complètement curvilignes ou partiellement, on est amené à chercher des intersections d'hyperboles ou de paraboles pour placer les centres des cercles à tracer. C'est un bon exercice ! Il peut se poursuivre à l'infini, les nombres de cercles de chaque génération étant des puissances de 3.

On m'objectera que le résultat final ressemblera plus à une nuit blanche qu'à une nuit noire et c'est tout à fait pertinent. Mais pour rattraper le coup je pourrai tout simplement ne peindre en blanc (ou en jaune) que des petits cercles dont le rayon est 1/10e de ceux-ci, et ainsi, je suis sûr que ma nuit est noire à  plus de 99%.

Cet essai pour mettre à bas le paradoxe d'Olbers n'est malheureusement pas totalement satisfaisant puisque son énoncé requiert un Univers peuplé d'étoiles de façon homogène : retour à l'énoncé :

Le paradoxe d'Olbers, est une contradiction apparente entre le fait que le ciel est noir pendant la nuit et l'hypothèse que l'Univers serait statique, homogène et infini, qui impliquerait notamment que depuis tout point du ciel, on devrait pouvoir observer une source lumineuse... (Wikipédia)

On pourra alors m'objecter que si je laisse en noir 99 % de mon premier cercle inscrit, je n'ai pas construit un contre-exemple homogène et c'est là que je me perds un peu.
Voilà pourquoi je fais appel à votre analyse de la question ou à vos éventuelles propositions pour construire un nouveau modèle pour démonter ce paradoxe d'Olbers.

Bien amicalement. jacquot

PS Je salue tout particulièrement mes anciens collègues de la Modération qui voudront bien déplacer cette discussion si elle n'a pas sa place dans cette rubrique Shtam qui me tenait tant à cœur.

Réponses

  • Area 51
    Modifié (February 2023)
    Pas compris à quoi correspondait le triangle de départ. Pour la terminologie, on ne dit pas "homogène, etc" en physique, on préfère "isotrope".
    Ton argument "étoiles dénombrables $\aleph_0$, surface puissance du continu $\aleph_1$" est bizarre. Quant à l'univers, qu'il soit infini ou non, on n'en sait rien.
    Je connaissais ce paradoxe, sans connaître son nom. Tu aurais été présent au moment du Big Bang, ton ciel aurait été brillant jour et nuit. Mais le temps faisant, le contraste clair/noir s'est accentué. La lumière, ce sont des photons. Le visible, c'est subjectif : tout dépend dans quelle gamme de fréquences tu "sais voir". La puissance qui te parvient dépend du flux qui t'arrive dessus d'une direction donnée. Ce flux de photons dépend de l'éloignement au carré. De plus, s'il y a un obstacle entre vous, c'est mort (modulo l'effet lentilles gravitationnelles). Bref, des lux des photons que tu "sais voir", il n'en arrive pas des masses. De toute façon, on le sait : ça caille dans l'espace. Sinon il existe le fond diffus cosmologique, super isotrope, des photons partout si tu "sais voir" à $2,73\,\text{K}$ (la bonne vieille "neige" de nos TVs).
  • jacquot
    Modifié (February 2023)
    Merci, Area 51, de t'intéresser à ma question que les honorables modérateurs ont jugée digne de figurer dans e forum Mathématiques et Physique !

    Le paradoxe d'Olbers a été formulé bien avant la théorie de l'expansion de l'Univers. Thomas Digges fut le premier, je crois, à envisager un Univers infini où chaque étoile était un Soleil qui pouvait éventuellement avoir son propre système planétaire.
    Giordano Bruno fut séduit par ce modèle et voulut l'importer sur le continent... avec des conséquences malheureuses  pour lui :'( .
    En tous cas, on trouve des discussions sur la finitude ou l'infinité de l'Univers dans la correspondance de Kepler.

    Si je suis venu poser cette question ici, ce n'est pas tellement pour que l'on me donne une réponse d'astronome du XXe siècle, mais ce serait plutôt la recherche d'un modèle de remplissage d'un plan noir (ou d'une sphère noire, la sphère céleste) par une infinité de taches  blanches de dimensions diverses, mais toutes non nulles, tel que le noir soit prédominant sur le blanc. 

    Si vous m'avez bien lu, ma disposition de cercles dans le triangle contredit presque le "paradoxe d'Olbers" à ceci près qu'Olbers formule de plus une exigence d'homogénéité, ou d'isotropie, si tu préfères que mon modèle ne satisfait  pas.

    Par ailleurs, ton allusion au fond diffus cosmologique m'intéresse. Dans l'article Wikipédia sur l'expansion de l'Univers, la question de l'isotropie est posée... et aussi celle de'un horizon, c'est à dire de la limite du Monde que nous pouvons appréhender, compte tenu de la vitesse de la lumière.

    Encore Merci, Area 51, et je reste en attente d'autres réponses.
    Amicalement. jacquot
  • Area 51
    Modifié (February 2023)
    Le truc, c'est que dans le stéradian que tu regardes, il y a des planètes qui font obstacle, des nuages de matière qui absorbent (puis ré-émettent dans une fréquence altérée), des trous noirs, des wormholes, etc. Bref, plein de vilains trucs "noirs" qui empêchent la clarté de te parvenir. Imagines la stupeur il y a quelques siècles de cela où des gens arrivaient à faire disparaître le Soleil (par interposition de la Lune bien sûr). Et comme je le disais avant, la "section émettrice" efficace de ton étoile s'amenuise avec l'éloignement.
    La question de la "limite de l'univers", moi je ne m'y aventure pas. Parce que c'est lié à la nature du manifold, i.e. contenu / contenant et implicitement le nombre de dimensions.
  • Excuse mon insistance, Area 51, Les planètes, les lentilles gravitationnelles et les déformations de l'Univers, je sais que ça existe, mais ce n'est pas mon sujet ici, : si tu m'as bien lu, je cherche un objet mathématique et je m'affranchis de toutes ces considérations physiques.

    Amicalement. jacquot
  • marco
    Modifié (February 2023)
    Sur une sphère d'épaisseur $dr$, de rayon $r$ et de centre la Terre, il y a un nombre d'étoiles proportionnel à $4 \pi r^2dr$. L'intensité de la lumière diminue en fonction de l'inverse du carré de la distance (à la source de lumière). Donc l'observateur sur Terre devrait recevoir de la part de la sphère de rayon $r$ une lumière d'intensité proportionnelle à $\frac{4 \pi r^2 dr} {r^2}=4 \pi dr$. Donc en intégrant de $r=0$ à $r=+\infty$, on obtient une intensité "infinie", on est donc ébloui même en pleine nuit.
  • gerard0
    Modifié (February 2023)
    Bonjour Jacquot, et bon retour.
    Pour ta modélisation, tu peux prendre au hasard une suite de disques de surfaces s, s/2, s/4, s/8, etc. On ne peut pas parler d'isotropie, mais il y a une certaine homogénéité de principe, et l'aire totale est 2s, qui peut être aussi petit que l'on veut.
    Note cependant que tu n'utilises pas un univers infini, mais une portion de plan très limitée.
    Cordialement.
  • jacquot
    Modifié (February 2023)
    Bonjour @marco,
    Si je comprends bien ton approche, elle s'applique à un Univers peuplé d'étoiles réparties partout de façon homogène jusqu'à l'infini. la simplicité du raisonnement et le résultat sont surprenants.

    Astronomiquement parlant, ce n'est pas le cas de l'Univers que nous connaissons, qui présente des grumeaux qui sont les galaxies et des super-grumeaux, les amas de galaxies.
    De plus la lumière ne se propage pas instantanément, mais j'ai écrit plus haut que ce n'est pas mon souci ici.
    Merci en tous cas, de t'être donné la peine d'essayer de comprendre ma question et d'y réfléchir.
    Amicalement. jacquot
  • Merci à toi aussi, @gerard0 !
     
    De prime abord, ce que tu me proposes convient bien à la construction que je cherche élaborer: on pourrait assimiler la sphère céleste à un icosaèdre et balancer dans chacune de ses 20 faces des taches d'aires s ; s/2 ; s/4 ; s/8 etc.
    Ainsi, chaque face de l'icosaèdre comporterait une infinité d' "étoiles" et le ciel serait plus noir que blanc.
    Pour un rendu encore meilleur, on pourrait approcher la sphère par un assemblage de triangle genre balle de golf, mais ça génèrerait quelque défauts imperceptible d'isotropie, puisque le l'assembla des triangles de la balle de golf ptésente 12 sommets où seuls 5 triangles se rejoignent...

    Mon essai à partir de la structure fractale présentée ci-dessus est assez équivalent au modèle que tu me suggères, et je crois que si je pars d'un triangle équilatéral, les rayons de mes cercles suivent grosso modo une suite géométrique ou plutôt une suite que l'on peut majorer par une suite géométrique.

    Mais à bien y regarder la question que je me pose alors est comment répartis-tu les taches dans chacun des triangles pour respecter cette clause d'"homogénéité" qui me turlupine ?

    Amicalement. jacquot
  • Bonjour @marco et tutti altri,

    Un retour vers l'article de Wikipédia m'a permis de mieux comprendre la contribution du mathématicien suisse Jean Philippe Loys de Cheseaux à cette problématique :
    (il) précise ce paradoxe mathématiquement en 1746. Il imagine les étoiles dans des coquilles sphériques (l'univers étant modélisé comme une série de coquilles concentriques) par rapport à un observateur. Le nombre d’étoiles est proportionnel à la surface de chaque coquille, donc au carré de leur rayon. Or, l'intensité lumineuse d'une étoile est inversement proportionnelle au carré de sa distance. Donc l'observateur reçoit autant d'énergie lumineuse de chaque coquille...

    Ta présentation notant $\mathrm d r$ l'épaisseur de chaque coquille (ou enveloppe d'oignon)  pour proposer ensuite une intégration est parfaitement limpide !
    J'ai alors repris le calcul de Cheseaux : il s'agit juste d'estimer l'aire de la sphère céleste en nombre d'aires du disque solaire et j'obtiens environ $210\ 000$ là où, selon Wp, Cheseaux en trouve $180\ 000$, mais j'ai pu me gourer.

    Pour finir, je colle ci-dessous ce dessin de Thomas Digges qui présente le Système solaire dans un Univers infini parsemé d'étoiles équiréparties :

    ThomasDiggesmapJPG

    Amicalement. jacquot





  • marco
    Modifié (February 2023)
    Bonjour @jacquot,
    Est-ce que la sphère céleste est supposée avoir un rayon fini ? En effet, je ne comprends pas le calcul de Cheseaux sinon (à moins que des étoiles soient cachées par d'autres, mais il me semble que c'est alors le calcul de Olbers, d'après l'article de Wikipédia, qui donne une luminosité de la sphère céleste égale à celle de la surface d'une étoile). Dans le calcul de Olbers, pour connaître la luminosité totale de la sphère céleste, il faut multiplier la luminosité du Soleil, par $\frac{4\pi}{\pi\alpha^2}$, où $\alpha$ est le rayon angulaire du soleil (la moitié du diamètre angulaire), si on considère que le Soleil est de faible diamètre angulaire (sinon je ne sais pas). On peut aussi diviser pas deux cette luminosité vu que l'on ne voit que la moitié de la sphère céleste.
    Amicalement.


  • marco
    Modifié (February 2023)
    Le rayon du Soleil étant $r=696340$km, la distance à la Terre étant $d=149600000$km. Je trouve que la luminosité totale de la sphère céleste est 184620 fois celle du Soleil, car $\alpha=r/d$.
  • Merci @marco ,
    j'avais pris un diamètre solaire de 30 minutes d'angle, ce qui est un peu trop petit...
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