De acordo com a TLEBS, há constituintes nominais que são modificadores preposicionais, mas que se confundem com os modificadores nominais. No subdomínio da sintaxe (B4.3.7.2.2.1.), explica-se «[…] que os modificadores aparentemente nominais como “sábado”, em (i), são na realidade modificadores preposicionais, conforme (ii). Exemplos: (i) [[Sábado] vou ao cinema]. (ii) [[No sábado] vou ao cinema]».
À luz desta análise, na frase «Um dia, à noite, ele viu a estrela», o constituinte «um dia» insere-se neste tipo de modificadores, para os quais se postula a existência de uma preposição a um nível mais abstra(c)to de representação (ver também Maria Helena Mira Mateus et aliae, Gramática da Língua Portuguesa, Lisboa, Editorial Caminho, 2003, pág. 167, n. 55). Reconheço, porém, que enquanto se aceita a equivalência de «sábado»/«no sábado», o mesmo não acontece com «um dia»/*«num dia», dado que a segunda expressão não é aceitável. No contexto pedagógico, penso que uma solução para este problema é considerar que um dia se fixou prevalecendo sobre *«num dia», forma possível mas não é aceitável, tal como acontece com uma vez/*«numa vez» («uma vez, encontrei um marciano»/*«numa vez encontei um marciano»).