Proč je obloha v noci tmavá?

Z našeho pohledu zde ve Sluneční soustavě dává naprosto intuitivní smysl, proč vidíme to, co vidíme ve dne, a proč v noci. Během dne zaplavuje naši atmosféru sluneční světlo ze všech směrů a přímé i odražené sluneční paprsky k nám přicházejí odevšad, kam dohlédneme. V noci sluneční světlo atmosféru nezaplavuje, a tak je na obloze tma všude tam, kde není světelný bod, například hvězda, planeta nebo Měsíc.

Ale možná začnete přemýšlet trochu hlouběji. Pokud je vesmír nekonečný, neměla by naše přímka pohledu nakonec narazit na hvězdu bez ohledu na to, jakým směrem se díváme? Vzhledem k tomu, že venku jsou biliony galaxií a že dalekohledy, které jsou schopné vidět ty slabé, které naše oči nevidí, proč světlo ze všech dohromady neosvětluje každý bod na obloze? Není snadné na tuto otázku odpovědět, ale věda si s touto výzvou poradí.

Tato hádanka trápí vědce už celá staletí. Když se nad ním hluboce zamyslíte, možná vám ani nebude dávat smysl. Ano, je pravda, že naše atmosféra zde na Zemi je z velké části průhledná pro viditelné světlo, což nám umožňuje vidět v noci do obrovské propasti hlubokého vesmíru. Naše poloha v galaxii znamená, že pouze galaktická rovina je zastíněna prachem a plynem v popředí, který blokuje světlo z centrální oblasti Mléčné dráhy.

Ale mimo ni byste mohli očekávat, že uvidíte světlo v každém směru a na každém místě, kam jste schopni se podívat. Koneckonců, pokud je vesmír skutečně nekonečný, pak prázdnota hlubokého vesmíru pokračuje donekonečna. V jakémkoli směru, který si dokážete představit, nakonec vaše přímka pohledu narazí na zářící světelný bod.

Pokud by to byla pravda, pak by noční obloha vůbec nebyla tmavá, ale byla by osvětlena každou hvězdou, jejíž světelná dráha urazila dlouhou cestu k Zemi.

Ale i když se podíváme do nejhlubších hlubin zdánlivě prázdného vesmíru, kde lidské oči ani běžné dalekohledy nevidí žádné hvězdy ani galaxie, naše nejvýkonnější observatoře odhalí tolik věcí, které tam jsou, ale stále je to jen pár světelných bodů na černém pozadí prázdného prostoru.

Ano, vesmír je plný hvězd a galaxií. Ano, jsou v obrovských vzdálenostech: miliony, miliardy nebo dokonce desítky miliard světelných let. Světlo hvězd putuje vesmírem a dostává se k našim nejlepším pozorovacím přístrojům a odhaluje bohatý vesmír s obrovským rozsahem. Ale obrovský, bez ohledu na to, jak je velký, má daleko, daleko od nekonečného.

Z vědeckého hlediska je stále ještě otázkou, zda je vesmír konečný, nebo nekonečný; prostě to nevíme. Víme však, že ta část vesmíru, která je pro nás pozorovatelná, musí být konečná. I když jsme až do druhé poloviny 20. století nevěděli prakticky nic o velkorozměrové struktuře vesmíru, stále jsme věděli, že nekonečně velký pozorovatelný vesmír je prostě nemožný.

Již v 19. století si Heinrich Olbers povšiml matematického paradoxu. Pokud byste měli nekonečný vesmír s konstantní hustotou hvězd a/nebo galaxií, pak byste nakonec viděli nekonečné množství světla z každého směru, kterým byste se dívali. Viděli byste všechny hvězdy, které jsou blízko, a pak byste v prostoru mezi hvězdami viděli hvězdy vzdálenější. V mezerách mezi těmito hvězdami byste viděli ještě více hvězd, které by byly ve větší vzdálenosti. Bez ohledu na vzdálenost k nim – miliony, miliardy, biliony, kvadriliony světelných let atd. byste nakonec, kamkoli byste se podívali, narazili na hvězdu.

Přemýšlejte o tom matematicky, chcete-li. Pokud je hustota počtu hvězd v celém vesmíru konstantní, pak se celkový počet hvězd, které najdete, rovná hustotě hvězd vynásobené objemem vesmíru. Čím je hvězda vzdálenější, tím se jeví slabší: její jasnost klesá s převrácenou kvadraturou vzdálenosti (~1/r2).

Ale celkový počet hvězd, které můžete vidět v určité vzdálenosti, souvisí s plochou koule, která se zvětšuje s kvadraturou vzdálenosti. (Vzorec pro povrch koule je 4πr2.) Vynásobte počet hvězd jasností každé hvězdy a dostanete konstantu. Jasnost v určité vzdálenosti je určitá hodnota: říkejme jí B. Dvakrát tak daleko je tato jasnost také B. Třikrát? Stále B. Čtyřikrát? Opět B.

Teď sečtěte tuto řadu: B + B + B + B + B + ….. a tak dále. Už chápete, kam to směřuje? Odpověď bohužel směřuje k nekonečnu. Pokud v této řadě není nějaká mezní hodnota, dostanete nekonečnou hodnotu jasu noční oblohy v každém směru.

Již v 19. století Olbers použil tento způsob uvažování, aby dospěl k závěru, že pozorovatelný vesmír nemůže být nekonečný, ale nemohl si být jistý. Koneckonců existovaly i jiné astronomické obavy. Jednou z častých námitek bylo, že tato naivní analýza nebrala v úvahu všechen prach blokující světlo, který byl zjevně přítomen a který jste mohli vidět pouhým pohledem na rovinu Mléčné dráhy. I v dnešní době je mnoho našich nejznámějších astronomických památek zaplněno prachem blokujícím světlo.

V konečném vesmíru může tento prach konkurovat světlu hvězd, protože viditelné světlo, které na prach dopadá, je pohlceno a znovu vyzářeno s nižšími energiemi. Kdyby však byl vesmír skutečně nekonečný, problém Olbersova paradoxu by se projevil u každého zrnka prachu tam venku: každé zrnko by muselo pohltit nekonečné množství světla hvězd, dokud by i ono nevyzařovalo při stejné teplotě všech světel, která pohltilo!“

Jinými slovy, něco není v pořádku. Náš vesmír nemohl být statický, nekonečný a plný hvězd, které by zářily věčně. Kdyby tomu tak bylo, noční obloha by byla navždy a věčně jasná, na všech místech a ve všech směrech. Je zřejmé, že zde působí něco jiného.

Skutečnost, která nás zachraňuje a kterou Olbers ve své době nemohl vědět, nespočívá v tom, že vesmír není nekonečně rozsáhlý (stále by mohl být), ale v tom, že ve své současné podobě neputuje nekonečně dlouhou dobu. Vesmír, který dnes obýváme, měl svůj počátek: den bez včerejška. Tento počátek je známý jako velký třesk, který položil počáteční čáru pro veškerou hmotu, záření, energii a světlo, které v pozorovatelném vesmíru případně existují.

Vesmír tu není odjakživa, a proto můžeme pozorovat pouze hvězdy a galaxie, které jsou od nás vzdálené určitou a konečnou vzdálenost. Proto od nich můžeme přijímat pouze konečné množství světla, tepla a energie a na naší noční obloze nemůže být libovolně velké množství světla.

To však přináší další kousek skládačky. Pokud byl vesmír v určité rané době horký a hustý a plný hmoty a záření, jak tvrdí velký třesk, pak by se toto záření z rané doby mělo nakonec dostat až k našim očím. Všude, kam se podíváme, ve všech směrech, by tomuto záření nemělo nic uniknout.

Ve skutečnosti můžeme na základě současných pozorování vypočítat, kolik fotonů zbylých z velkého třesku dnes vyplňuje vesmír, a odpověď zní: 411 z nich na každý krychlový centimetr prostoru. Pokud se ptáte, proč je nedetekujeme, odpověď zní, že ano, a to neustále. Kdybyste si vzali velmi starou televizi, takovou, která má anténu s králičím uchem, do hloubi mezigalaktického prostoru, daleko od jakýchkoli hvězdných nebo pozemských rádiových zdrojů, mohli byste ji naladit na třetí kanál. Stále byste viděli asi 1 % „sněhu“, který vidíte na Zemi; to je záření z velkého třesku.

Faktem je, že toto světlo z Velkého třesku přijímáme a že se nevyhnutelně nachází po celé obloze. Jediný důvod, proč ho nevidíte pouhým okem, je ten, že vesmír se v průběhu kosmické historie rozšířil, a tak je toto kdysi viditelné světlo nyní posunuto na tak dlouhé vlnové délky, že je vaše oči nevidí, vaše kůže je necítí a vaše tělo je nedokáže zachytit

Ale vaše mikrovlnné a rádiové antény je zachytit mohou. Tak bylo vlastně toto záření poprvé objeveno a tak byl poprvé potvrzen Velký třesk: pomocí obří rádiové antény, která tento signál zachytila bez ohledu na to, kdy a kam se vědci, kteří ji obsluhovali, dívali. Kdyby se naše oči přizpůsobily tomu, aby viděly mikrovlnné nebo rádiové záření, viděli bychom ve skutečnosti noční oblohu, která by byla rovnoměrně jasná v každém směru a nikde by nebyla žádná tmavá místa.

K vysvětlení toho, proč je noční obloha tmavá, jsou zapotřebí dvě skutečnosti dohromady. První z nich je, že vesmír existuje pouze po omezenou dobu, což omezuje rozsah a množství záření, které je pro nás v současnosti pozorovatelné. Druhým je, že můžeme pozorovat světlo pouze v omezené části elektromagnetického spektra: v optické části.

Pokud bychom místo toho mohli pozorovat oblohu v mikrovlnném světle, obloha by se jevila jasná ve všech směrech po celou dobu. Když se nad tím zamyslíte, je trochu ironické, že to byla jen naše velmi lidská omezení, která způsobila, že noční obloha vůbec vypadá jako zajímavé místo k prozkoumání. Dnes jsme postavili družice určené k výtečnému měření tohoto záření a díky nim jsme se o původu a vlastnostech našeho vesmíru dozvěděli mnohem více, než bychom se kdy dozvěděli pouze pomocí našich omezených smyslů. Noční obloha se nám může zdát temná, ale světlo, které je tam vždy, nás naučilo konečnému řešení tohoto vesmírného paradoxu.