De quoi parle-t-on quand on évoque la nuit ? Ce qui est le plus commun est donné par les dictionnaires usuels. On peut citer Le Robert : « Obscurité qui enveloppe quotidiennement une partie de la Terre du fait de sa rotation. Espace de temps qui s’écoule depuis le coucher jusqu’au lever du Soleil. » Une définition en deux phrases permettant d’associer le phénomène astronomique avec l’effet de noirceur durable : la rotation de la Terre illuminée par le Soleil créant une durée séparant deux configurations locales de la position du Soleil, à savoir le crépuscule et l’aube. Ces éléments se retrouvent peu ou prou dans les autres ouvrages de référence.

Levons tout de suite une ambigüité qui tient au fait qu’ombre et lumière sont indissociables, comme le sont obscurité et clarté, et que souligne la double notion de jour. Le jour, légalement, est la période de rotation « diurne » de la Terre sur elle-même, de 24 heures ou 86 400 secondes si l’on se donne comme échelle de temps le temps civil ou temps universel (tu), qui est le temps de la vie sociale calé sur la rotation terrestre et la position du Soleil1. L’autre définition du jour, parfois appelée la journée, est complémentaire de la nuit, entre aube et crépuscule, l’espace de temps baigné par la lumière naturelle, issue du Soleil. Nous comptons sur la sagacité du lecteur pour faire le départ entre ces deux notions au cours de leur occurrence dans le texte, au regard du contexte étudié.

La nuit a donc une portée universelle si l’on songe qu’elle peut être appliquée à toute planète de notre système solaire, toujours animée d’un double mouvement, celui de la révolution autour du Soleil et de la rotation sur elle-même. Cette portée s’est agrandie avec la découverte des planètes extrasolaires, soit des planètes autour d’autres étoiles dans notre galaxie. Ce ne sont pas moins de 5 000 « exoplanètes » qui ont été mises au jour depuis trente ans. Bien sûr, ce qui n’est pas universel, a priori, est l’existence d’une vie témoin de ces nuits « ailleurs ».

Si l’on revient à notre monde terrestre, des précisions s’imposent au-delà de la définition commune de l’entre crépuscule et aube, si l’on s’attache à la position du Soleil dans son rapport à l’obscurité. Même disparu sous l’horizon, le Soleil en effet continue d’éclairer les cieux au couchant, comme il a commencé d’éclairer les cieux au levant avant d’apparaître au-dessus de l’horizon. Les cieux rougeoient alors en général, car la partie bleue et verte de la lumière a disparu, diffusée par une épaisseur d’atmosphère importante dans le cas des levers et couchers du Soleil.

Trois définitions sont classiquement mentionnées, civile, nautique, astronomique, selon la position du Soleil sous l’horizon :

– la nuit civile sépare les moments où le Soleil est à 6° sous l’horizon. Le crépuscule civil correspond à une position décroissante du Soleil entre 0° et 6° sous l’horizon. L’aube civile correspond à une position croissante du Soleil de 6° à 0° sous l’horizon. Cette définition est la référence de l’allumage et de l’extinction de l’éclairage artificiel respectivement entre fin du crépuscule civil et début de l’aube civile ;

– la nuit nautique correspond à un angle de direction du Soleil de 12° sous l’horizon. Les définitions du crépuscule et de l’aube nautiques correspondent. Historiquement, le crépuscule nautique, entre 6° et 12°, qui suit le crépuscule civil, est ce moment où apparaissent des étoiles, les plus lumineuses du Ciel et qui permettent aux marins de faire le point ;

– la nuit astronomique est calée sur une position du Soleil de 16° sous l’horizon. Le crépuscule astronomique, entre 12° et 16°, suit le crépuscule nautique, et à son terme toutes les étoiles visibles le deviennent effectivement, y compris les moins lumineuses.

• Durées de la nuit

L’utilisation du pluriel marque la dépendance de la durée de la nuit en fonction de l’endroit sur Terre (la latitude) et de la date (le jour et le mois) au cœur de l’année. Cette variation est due au double mouvement de la Terre, de révolution annuelle autour du Soleil dans un plan, celui de l’écliptique, et de rotation autour d’un axe incliné sur l’écliptique. L’angle entre l’axe de rotation terrestre et la normale à l’écliptique est appelé inclinaison de l’écliptique et vaut actuellement (il varie légèrement en raison des perturbations des planètes sur la trajectoire de la Terre) 23°26’. Cette inclinaison est responsable du phénomène des saisons et de la variabilité de la durée de la nuit en un lieu donné au cours de l’année. Les données cinématiques du mouvement de la Terre déterminent quatre configurations particulières dans le temps, on le sait, celles des solstices d’été (20 ou 21 juin) et d’hiver (21 ou 22 décembre), et celles des équinoxes de printemps (20 ou 21 mars) et d’automne (22 ou 23 septembre). Aux solstices, le plan formé par l’axe de rotation et la droite Terre-Soleil est perpendiculaire à l’écliptique. Aux équinoxes, l’axe de rotation est perpendiculaire à la droite Terre-Soleil.

L’inclinaison de l’écliptique pointe par ailleurs cinq cercles de latitude donnée (parallèles) sur la Terre : l’équateur, les tropiques du Cancer et du Capricorne, les cercles polaires arctique et antarctique, de latitudes respectives : 0°, 23°26’ Nord, 23°26’ Sud, 66°34’ Nord, 66°34’ Sud.

En conséquence, ces particularités des mouvements de la Terre rejaillissent sur les durées de la nuit (et du jour). Aux équinoxes, les durées de la nuit et du jour sont les mêmes sur toute la Terre, et valent 12 heures, cette égalité restant vraie toute l’année à l’équateur. Au solstice d’été, la nuit est la plus courte dans l’hémisphère Nord et la plus longue lors du solstice d’hiver. Les saisons et les durées sont inversées dans l’hémisphère Sud. Lorsque la latitude croît, les inégalités entre jour et nuit augmentent. Entre équateur et tropique du Cancer, le Soleil peut passer au zénith d’un lieu, ce phénomène ne se produisant plus qu’une fois dans l’année, au solstice d’été sur le tropique du Cancer. Entre ce tropique et le cercle arctique, la durée de la nuit augmente à partir du solstice d’été jusqu’au solstice d’hiver. Au nord du cercle polaire arctique, la nuit peut durer plusieurs jours autour du solstice d’hiver, cette durée étant d’autant plus grande que l’on se rapproche du pôle Nord. En ce point très particulier, la nuit dure six mois autour du solstice d’hiver, entre l’équinoxe d’automne et l’équinoxe de printemps. Tous ces phénomènes sont bien sûr à inverser pour l’hémisphère Sud.

• Histoire de la nuit

Le jour, comme période de rotation de la Terre, a en fait une histoire. Il a varié et continue de varier au cours des temps, il en est donc de même de la durée de la nuit.

L’invariabilité est une abstraction qui ne correspond pas à la complexité des phénomènes physiques. Johannes Kepler, vers 1600, a le premier émis des doutes sur la constance de la vitesse de rotation terrestre. Emmanuel Kant et Pierre-Simon de Laplace, au xviiie siècle, soupçonnèrent un ralentissement séculaire de la rotation, dû à la perte d’énergie par effet de marée. Qu’en est-il ?

Si l’on veut mettre en évidence la non-uniformité d’un temps fondé sur un phénomène périodique, il faut disposer d’un phénomène plus stable. C’est ainsi que les oscillateurs à quartz dans les années 1930, puis les horloges atomiques dans les années 1970 ont permis de montrer de façon de plus en plus précise que le temps universel subissait des variations en raison de la variabilité du jour. La rotation terrestre est soumise en effet à différents types de variations, saisonnières, irrégulières, séculaires. Avec leurs mouvements de matière périodiques (fontes et glaciations, précipitations et évaporations, apparitions et disparitions végétales…), les saisons peuvent faire varier la rotation terrestre d’une milliseconde d’un jour à l’autre, avec des retards et des avances qui se compensent au cours de l’année. Des irrégularités se superposent, qui peuvent en se cumulant atteindre quelques millisecondes sur la dizaine d’années. De 1900 à 1918, le jour a diminué de 2 millisecondes ; et il a augmenté de 2,3 millisecondes entre 1918 et 1936. On pense que ces variations sont dues aux réarrangements de la structure interne de la Terre. On n’a pas toujours d’explication, comme dans le cas du 20 septembre 1945, où le jour a augmenté d’un coup de 3 millisecondes.

Ces variations irrégulières ne masquent pas cependant sur le long terme un fait avéré : le ralentissement séculaire de la rotation terrestre. À la surface de la Terre se déplace un bourrelet liquide par effets de marée créés essentiellement par la Lune. En raison de la rotation de la Terre, ce bourrelet frotte sur le fond des mers peu profondes et les côtes continentales. D’où une perte d’énergie qui a tendance à freiner la rotation terrestre, dont la mer de Behring serait responsable pour moitié. Cet allongement séculaire du jour atteint 2 millisecondes par siècle. On pourrait considérer que c’est dérisoire, sauf qu’il est cumulable sur des milliards d’années et que le retard ainsi causé dans l’échelle de temps universel par rapport à un temps plus uniforme (temps atomique) suit une loi en nombre d’années au carré. On s’est ainsi aperçu que des phénomènes observés par les Grecs ont eu lieu avec plus de 3 heures d’avance sur les calculs faits aujourd’hui en supposant un jour invariable. Et par ailleurs, des observations du nombre de cercles de croissance des coraux, lié aux alternances diurnes jour/nuit de luminosité au cours de l’année (qui elle est restée à peu près constante), attestent qu’il y a 400 millions d’années, il y avait 400 jours de 22 heures dans une année !

Nos connaissances actuelles représentent une formation de la Lune, il y a 4,5 milliards d’années, par collision d’une petite planète avec notre Terre. Au début, la Lune était très proche, la rotation de la Terre bien plus rapide (de quelques heures, d’où près de 1 000 jours dans l’année) avec des nuits également beaucoup plus courtes, sans parler de marées extrêmement fortes. Les lois de la mécanique prévoient un éloignement progressif de la Lune (effectivement mesuré de 4 centimètres par siècle), et dans des milliards d’années elle devrait se situer quatre fois plus loin que maintenant, la Terre ayant suffisamment ralenti pour que Lune et Terre se présentent la même face, les effets de marée disparaissant alors. La période de rotation terrestre serait de 50 jours actuels. Y aura-t-il une humanité pour vivre sous l’empire de nuits aussi longues ?

• La nuit et la Vie

Depuis « l’explosion de la Vie » au Cambrien, il y a 500 millions d’années, la durée de la nuit a peu diminué, suivant celle du jour passée de 20 heures à 24 heures. Le vivant, quelle que soit l’espèce, à commencer par la nôtre, Sapiens, âgée de 300 000 ans, du genre Homo, daté lui de 3 millions d’années, a été façonné par le rythme luminosité/obscurité qui accompagne toute la biosphère exposée à l’astre du jour. Le rythme associé est dit « circadien », d’après le latin circa, « autour », et dies, « jour ». Il est essentiellement piloté par des horloges biologiques internes ou endogènes. Au cours de l’évolution, les espèces fabriquent un corpus génétique répondant à des stimuli extérieurs enregistrant la périodicité de la luminosité naturelle (solaire). Les mécanismes convoqués sont autant comportementaux et physiologiques que biologiques. Il peut s’agir, au travers de l’alternance veille/sommeil, de la production d’hormones comme la mélatonine ou le cortisol, du potassium, de la circulation sanguine, du cycle gastrique, de la température… On trouvera parfois l’emploi plus restreint du « rythme nycthéméral », du grec nuktos, « nuit », et hêmera, « jour », pour décrire un cycle biologique de 24 heures, répondant de façon exogène aux manifestations de l’alternance jour/nuit. Le rythme circadien est différent, qui peut s’appliquer à tout cycle biologique à base endogène comme celui des espèces qui hibernent ou qui vivent à de grandes profondeurs (dans les mers ou sous terre).

Pour étudier précisément et expérimentalement l’influence de l’alternance jour/nuit, des expériences d’isolement « hors du temps » ont été réalisées sur des humains reclus pendant plusieurs semaines, sans stimuli extérieurs, celle de Michel Siffre étant sans doute la plus notoire. Il en est résulté des faits inattendus : le rythme circadien semble être de 25 heures. L’alternance veille/sommeil semble reculer d’une heure chaque « jour », comme le cycle de la température et celui du cortisol. Au bout de quelques semaines, l’alternance veille/sommeil se désynchronise des cycles biologiques, marquant la rupture entre la régulation d’ordre social et celle ressortissant au biologique. L’explication tiendrait à l’existence de deux horloges biologiques principales, ou oscillateurs internes différents, l’un qualifié de « fort », peu dépendant des modifications environnementales car lié aux caractéristiques biologiques endogènes de l’espèce (expliquant notamment la difficulté à sortir du jet-lag), l’autre de « faible », car plus influençable par les signaux temporels extérieurs, donc plus facilement sensible aux perturbations environnementales.

De façon plus générale, l’alternance jour/nuit se répercute sur les processus adaptatifs des espèces au travers de leurs performances sensorielles particulières, qu’il s’agisse des plantes ou des animaux. On distingue à cet égard les espèces diurnes et les nocturnes, l’acuité visuelle étant déterminante pour ces dernières, qui joue sur la structure et la sensibilité de l’organe oculaire, et notamment dans la relation symbiotique entre proies et prédateurs. Au point qu’une faible luminosité, comme celle de la Lune, peut devenir dominante et perturber les rythmes circadiens des espèces, notamment dans leurs relations trophiques. On comprend dès lors l’importance pour les cycles du vivant de la « pollution lumineuse », qui ne gêne pas que les astronomes ou les contemplateurs des cieux.

La nuit, en diminuant de façon drastique la luminosité des niches écologiques, sert de révélateur aux capteurs sensoriels dédiés à d’autres vecteurs physiques que la lumière. Ce peut être le son. Les ondes acoustiques, notamment les ultrasons, servent par leur écho (comme pour le radar) à la détection des proies, prédateurs, congénères pour de nombreuses espèces : cétacés, rongeurs, oiseaux, chauves-souris (jusqu’à 200 000 hertz, alors que l’oreille humaine est limitée à 20 000 hertz), insectes (la fausse teigne tient le record avec 300 000 hertz, ce qui lui permet de détecter son prédateur, la chauve-souris…)… L’odeur est aussi une information précieuse dans l’obscurité : pour le grand requin blanc, de grands mammifères (éléphants, ours…), les taupes, les rapaces… Mais incontestablement la chaleur est une reine des informatrices. Transfert d’énergie qui peut se faire par conduction, par convection, il peut l’être aussi par transport radiatif. Tout corps chaud émet un rayonnement dit « thermique ». Dans la gamme des températures ambiantes dans la biosphère terrestre, les corps émettent un rayonnement infrarouge dont l’énergie est adaptée à la mise en agitation des molécules, source de chaleur, sans les détruire chimiquement. À titre indicatif, l’être humain, visible le jour par diffusion de la lumière naturelle, l’est également la nuit, mais parce qu’il émet en infrarouge à une longueur d’onde de 10 microns. Tous les animaux à sang chaud sont ainsi visibles la nuit, ce qui en fait des proies et/ou des prédateurs potentiels. Les animaux à sang froid comme les reptiles, très sensibles à la chaleur, sont particulièrement avantagés dans cette relation trophique.

Pour en finir de cette relation de la nuit au vivant, l’auteur ne saurait oublier qu’il écrit ces lignes dans une revue gérée par l’armée de terre, sur la sollicitation d’un grand ami général d’armée (2s) de haute réputation de ladite arme. La détection et l’intensification du rayonnement infrarouge ne sont pas méconnues de l’univers militaire, comme l’écholocation, au-delà de l’observation du rayonnement visible, qui va nous occuper comme suit.

• La nuit, ouverture lumineuse sur l’Univers

Pendant des millénaires, depuis que l’Homme veut comprendre par l’observation le monde qui l’entoure, et jusqu’à une période très récente, la lumière, ou plus exactement la partie visible du spectre électromagnétique, entre 0,38 et 0,78 micron de longueur d’onde pour l’Homme, a été la seule source d’information qu’il possédait sur l’Univers. La grande responsable, et ce n’est pas péjoratif, en est l’atmosphère et les molécules qui la composent. La partie visible est une toute petite partie du spectre et c’est naturellement celle où l’œil humain est le plus sensible, selon la loi d’économie adaptative de la nature. Du côté des courtes longueurs d’onde, les molécules de l’atmosphère arrêtent les rayonnements uv, x et gamma. Du côté des grandes longueurs d’onde, les molécules comme celle de l’eau arrêtent les infrarouges, sauf dans une petite fenêtre autour de 10 microns. L’atmosphère est transparente aux ondes radio, entre 5 centimètres et 10 mètres de longueur d’onde (d’où les grands radiotélescopes au sol).

Et donc, alors qu’elles sont noyées dans le bleu du ciel ou arrêtées par les nuages, les lumières célestes apparaissent progressivement avec l’advenue de la nuit astronomique. L’observation des cieux est aussi ancienne que l’humanité. La Lune, visible aussi en plein jour, est notre compagne de la nuit et du temps, base des premiers calendriers autour de la lunaison, de 29,53 jours. L’observation attentive des changements d’allure de la voûte céleste au cours de l’année (c’est le Soleil qui apparemment parcourt le zodiaque) est nécessaire pour bâtir le calendrier annuel, celui des saisons dont la période, l’année tropique, est de 365,24 jours. Incommensurable avec la lunaison, ce qui explique les difficultés historiques d’établissement des calendriers luni-solaires.

Le mouvement majestueux de la ronde diurne des étoiles accompagné des trajectoires particulières des planètes visibles (planetes : « astre errant ») inspire le système géocentrique des Grecs d’une Terre centrale immobile, que la révolution copernicienne mettra plus de 150 ans à mettre à bas pour que soit adopté le système héliocentrique au cours du xviie siècle. Un siècle qui voit la construction des observatoires d’État munis de grands instruments optiques, lunettes et télescopes, succédant à l’œil nu dont ils décuplent les performances. Les xviiie et xixe siècles sont ceux de l’investigation du monde des étoiles, notre galaxie, et de la découverte de ces objets splendides que peuvent être les nébuleuses. Le xxe siècle est la plongée dans le monde des galaxies et la détection de phénomènes universels comme l’expansion cosmique qui établissent une discipline nouvelle, la cosmologie, appliquée à un objet scientifique en soi, l’Univers.

La connaissance de l’Univers n’aurait pas été complète si, parallèlement à l’étude au sol de la lumière visible, l’observation spatiale hors de l’atmosphère n’avait pas été réalisée en uv, x, gamma, infrarouge, et même en visible pour s’affranchir complètement des perturbations et absorptions atmosphériques, à l’instar du fameux Hubble aux magnifiques images, relayé tout récemment par le James Webb explorant au plus profond de l’Univers. Sans parler de la traque de particules comme les neutrinos ou les rayons cosmiques, ou la toute récente détection des ondes gravitationnelles.

Mais que cherche-t-on ainsi si ce n’est également la nuit ? Le ciel est très noir hors de l’atmosphère, sauf dans la direction du Soleil et de la Lune dont les télescopes spatiaux se protègent pour observer les objets célestes qui leur sont attribués : la nuit, universelle, est une ouverture sur toutes les lumières. Et puis, la nuit nous offre d’autres spectacles, qui marquent les esprits : les aurores rares et splendides, comme peuvent l’être les comètes, les météores, plus fréquents. La nuit éclaire notre condition humaine, dans un Univers que nous découvrons chaque jour un peu plus.

• La nuit est noire, une connaissance sur l’Univers

Pourquoi fait-il noir la nuit ? Cette question pourrait paraître triviale et entraîner une réponse à la « Michu » : « Pardi, c’est qu’il n’y a plus le Soleil ! Bien la peine de faire de grandes études ! » En fait, de grands esprits se sont posé la question, à commencer par Kepler cherchant à réfuter les élucubrations de Giordano Bruno, partisan d’un Univers infini rempli d’étoiles comme le Soleil. Il s’agit de fait ni plus ni moins d’une interrogation cosmologique ayant légitimité jusqu’au début du xxe siècle. La pensée dominante était celle d’un Univers infini, statique, éternel, et habitait même un Albert Einstein hostile à l’idée d’expansion. Cette interrogation cosmologique est la suivante, débouchant sur un célèbre paradoxe, celui d’Heinrich Olbers, penseur du xviiie siècle : dans un tel Univers, le regard ne peut que croiser en toute direction une étoile puisque les étoiles (ou les galaxies) éternelles sont en nombre infini. Et donc dans toutes les directions, comme lorsque l’on se situe dans une forêt où partout le regard croise un arbre quelle que soit sa distance, l’œil doit subir l’éclat d’une étoile, ce qui devrait rendre le Ciel éblouissant partout et en tout temps. Et ce n’est pas le cas ! La nuit, et même le jour le montrent assez. Olbers pensait avoir trouvé la réponse dans la matière interstellaire qui fait écran en absorbant la lumière des étoiles. Mais cela ne change pas le problème, car cette matière chauffée, à l’équilibre, réémettrait l’énergie absorbée et serait tout aussi lumineuse que les étoiles. Reprenant Kepler, c’est curieusement le poète Edgar Allan Poe, rejoint par l’astronome François Arago, qui est sur la piste : soit l’Univers que nous observons est fini, avec un nombre fini d’étoiles, soit il est infini et nous n’en voyons qu’une partie, l’Univers observable.

Ainsi, l’idée que les étoiles ont un âge fini, confortée par la vitesse finie de la lumière, explique que ces étoiles ne sont visibles que dans une zone délimitée de l’espace, dans laquelle nous ne sommes pas nécessairement présents. C’est la cosmologie moderne des années 1930 qui est venue résoudre le paradoxe. La relativité générale d’Einstein prédit que l’Univers n’est pas statique et qu’il est soit en contraction, soit en expansion. C’est ce dernier cas que l’astronome Edwin Hubble met en évidence, une réalité finalement acceptée par Einstein. En faisant remonter le temps dans les équations de la relativité générale, on arrive à une époque de densité et de température extrêmes, un état primordial de l’Univers décrit sous le vocable de Big Bang, et daté de 13,7 milliards d’années. L’Univers observable est fini car d’âge fini. Ce qui résout le paradoxe. Un autre phénomène y participe, secondaire. L’expansion de l’Univers fait que les galaxies lointaines sont faiblement lumineuses, leur lumière étant décalée par effet Doppler vers le rouge, où l’énergie du rayonnement est plus faible qu’en visible. La lumière de ces galaxies s’estompe et est « noyée » dans le rayonnement fossile qui est la trace lumineuse du Big Bang. Ce rayonnement formé lorsque l’Univers était âgé de 380 000 ans s’est refroidi de 3 000 à 2,7 degrés en raison de l’expansion, pour devenir un rayonnement radio micro-onde. Ce rayonnement emplit l’Univers, la nuit en est pleine, mais nous ne le voyons pas. Derrière un phénomène aussi banal et quotidien que le noir de la nuit se cache une réalité profonde de l’Univers.