Der er ingen tvivl om, for alle, der nogensinde har oplevet det, at nattehimlen faktisk er mørk. Men… at forklare dette simple faktum rejser, hvis man tænker dybt over det, en masse spørgsmål, der skal tages op.
Wikimedia Commons-bruger ForestWander
Fra vores perspektiv her i solsystemet giver det absolut intuitiv mening, hvorfor vi ser, hvad vi gør om dagen i forhold til om natten. Om dagen oversvømmer sollyset vores atmosfære i alle retninger, idet både direkte og reflekteret sollys kommer til os fra alle de steder, vi kan se. Om natten oversvømmer sollyset ikke atmosfæren, og derfor er der mørkt overalt på himlen, hvor der ikke er et lyspunkt, som f.eks. en stjerne, en planet eller Månen.
Men man kan begynde at spekulere lidt dybere end det. Hvis universet er uendeligt, burde vores sigtelinje så ikke til sidst løbe ind i en stjerne, uanset hvilken retning vi kigger i? I betragtning af at der er billioner af galakser derude, og at teleskoper, der er i stand til at se de svage galakser, som vores øjne ikke kan se, hvorfor oplyser lyset fra dem alle tilsammen så ikke hvert eneste punkt på himlen? Det er ikke et let spørgsmål at besvare, men videnskaben er klar til udfordringen.
Milkevejen nær Grand Canyon, tilfældigvis det første sted, hvor jeg selv nogensinde så Mælkevejen, … hvilket først skete i 20’erne, da jeg voksede op i byområder. Mælkevejens plan fremstår mørkt, som silhuet mod baggrundsstjernerne, der ligger i vores galakses plan.
Bureau of Land Management, under en cc-by-2.0 licens
Dette er en gåde, der har foruroliget forskere i århundreder. Hvis du tænker dybt over det, giver det måske ikke engang mening for dig. Ja, det er rigtigt, at vores atmosfære her på Jorden stort set er gennemsigtig for synligt lys, og det er det, der gør det muligt for os at se ind i det dybe verdensrums enorme afgrund om natten. Vores placering i galaksen betyder, at kun det galaktiske plan er skjult af forgrundsstøv og -gas, der blokerer lyset fra Mælkevejens centrale område.
Men uden for dette kunne man forvente at se lys i alle retninger og alle steder, hvor man var i stand til at kigge ind. Hvis universet trods alt virkelig er uendeligt, så fortsætter tomrummet i det dybe rum i al evighed. I enhver retning, du kan forestille dig, vil din sigtelinje til sidst støde på et lysende lyspunkt.
Den fulde UV-visible-IR-sammensætning af XDF; det største billede, der nogensinde er udgivet af den fjerne… Universet. I et område på blot 1/32.000.000 af himlen har vi fundet 5.500 identificerbare galakser, alle takket være Hubble-rumteleskopet. Men selv i dette utroligt dybe billede, der afslører et univers med hundredvis af milliarder (eller mere) af galakser i det, virker rummet stadig mørkt.
NASA, ESA, H. Teplitz og M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) og Z. Levay (STScI)
Hvis dette var sandt, så ville nattehimlen slet ikke være mørk, men ville være oplyst af hver eneste stjerne, hvis lysbane har tilbagelagt den lange rejse til Jorden.
Men selv når vi kigger ned i de dybeste dybder af det tilsyneladende tomme rum, hvor ingen stjerner eller galakser kan ses af menneskelige øjne eller endog konventionelle teleskoper, afslører vores mest kraftfulde observatorier så meget, der er der, men det er stadig kun nogle få lyspunkter på den sorte baggrund af det tomme rum.
Ja, universet er fuldt af stjerner og galakser. Ja, de befinder sig på enorme afstande: millioner, milliarder eller endog titusindvis af milliarder af lysår væk. Stjernelyset rejser gennem universet og når frem til vores bedste observationsudstyr og afslører et rigt univers med et enormt omfang. Men enormt, uanset hvor stort det bliver, er langt, langt fra uendeligt.
Det kan være muligt, at universet virkelig er uendeligt, med et uendeligt antal stjerner og … galakser i alle retninger. Men hvis det var tilfældet, ville du fuldt ud forvente, at din sigtelinje til sidst ville krydse et lysende objekt. Hvis det var tilfældet, ville mørke være umuligt.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
Videnskabeligt set er juryen stadig ikke klar over, om universet er endeligt eller uendeligt; vi ved det simpelthen ikke. Det, vi ved, er imidlertid, at den del af universet, som vi kan observere, må være begrænset. Selv om vi praktisk talt intet vidste om universets storskala-struktur indtil sidste halvdel af det 20. århundrede, vidste vi stadig, at et uendeligt stort observerbart univers simpelthen var en umulighed.
Tilbage i 1800-tallet noterede Heinrich Olbers sig et matematisk paradoks. Hvis man havde et uendeligt univers med en konstant tæthed af stjerner og/eller galakser, ville man ende med at se en uendelig mængde lys fra alle retninger, man kiggede i. Man ville se alle de stjerner, der var i nærheden, og i mellemrummene mellem stjernerne ville man se stjerner længere væk. I mellemrummene mellem disse stjerner ville du se endnu flere stjerner, der var i en større afstand. Uanset afstanden til dem – millioner, milliarder, billioner, trillioner, quadrillioner af lysår osv. – ville man til sidst, uanset hvor man så hen, støde på en stjerne.
Stjerner findes i mange forskellige størrelser, farver og masser, herunder mange lyse, blå stjerner, der er … titusindvis eller endda hundrede gange så massive som Solen. Dette er demonstreret her i den åbne stjernehob NGC 3766 i stjernebilledet Centaurus. Hvis universet var uendeligt, ville selv en klynge som denne ikke vise “huller” mellem stjernerne, da en fjernere stjerne til sidst ville udfylde disse huller.
ESO
Tænk på det matematisk, om du vil. Hvis stjernetætheden er konstant i hele rummet, så er det samlede antal stjerner, som du finder, lig med stjernetætheden ganget med universets volumen. Jo længere væk en stjerne er, jo svagere fremstår den: dens lysstyrke falder som den omvendte afstand i kvadrat (~1/r2).
Men det samlede antal stjerner, man kan se i en bestemt afstand, hænger sammen med en kugles overfladeareal, som stiger med afstanden i kvadrat. (Formlen for en kugles overfladeareal er 4πr2.) Multiplicer antallet af stjerner med lysstyrken af hver enkelt stjerne, og du får en konstant. Lysstyrken i en vis afstand er en bestemt værdi: Lad os kalde den B. To gange så langt væk er lysstyrken også B. Tre gange? Stadig B. Fire? B igen.
En illustration af Olbers’ paradoks, og hvordan man i et univers med ensartet tæthed ville støde på en… uendelig mængde stjernelys i alle retninger.
Wikimedia Commons-bruger Htkym
Sæt nu denne serie sammen: B + B + B + B + B + B + ….. og så videre. Kan du se, hvor dette fører hen? Svaret er desværre mod uendeligt. Medmindre der er en eller anden afskæring i denne serie, vil du få en uendelig værdi for nattehimlens lysstyrke i alle retninger.
Tilbage i det 19. århundrede brugte Olbers dette ræsonnement til at konkludere, at det observerbare univers ikke kunne være uendeligt, men han kunne ikke være sikker. Der var trods alt andre astronomiske bekymringer. En af de almindelige indvendinger var, at denne naive analyse ikke tog højde for alt det lysblokerende støv, der tydeligvis var til stede, og som man kunne se bare ved at kigge på Mælkevejens plan. Selv i dag er mange af vores mest berømte astronomiske seværdigheder fyldt med lysblokerende støv.
Mørke, støvede molekylære skyer, som denne, der findes i vores Mælkevej, vil med tiden kollapse og … give anledning til nye stjerner, hvor de tætteste områder indeni danner de mest massive stjerner. Men selv om der er mange stjerner bagved, kan stjernelyset ikke bryde igennem støvet; det bliver absorberet.
ESO
I et endeligt univers kan dette støv konkurrere med stjernelyset, da det synlige lys, der rammer støvet, bliver absorberet og genudstrålet ved lavere energier. Men hvis universet virkelig var uendeligt, ville problemet med Olbers’ paradoks dukke op for hvert eneste støvkorn derude: hvert enkelt korn ville være nødt til at absorbere uendeligt meget stjernelys, indtil det også strålede ved samme temperatur som alt det lys, det absorberede!
Med andre ord, der var noget galt. Vores univers kunne ikke være statisk, uendeligt og fyldt med stjerner, der lyste for evigt. Hvis det var tilfældet, ville nattehimlen være evigt og evigt lysende, alle steder og i alle retninger. Der er tydeligvis noget andet på spil her.
Det observerbare univers er måske 46 milliarder lysår i alle retninger fra vores synspunkt, … men der er helt sikkert mere, uobserverbart univers, måske endda en uendelig mængde, ligesom vores, der ligger ud over det. Universet er måske uendeligt, men vi kan kun se lys, der har rejst i 13,8 milliarder år: det tidsrum, der er gået siden Big Bang.
Frédéric MICHEL og Andrew Z. Colvin, kommenteret af E. Siegel
Den kendsgerning, der redder os, og som Olbers ikke havde nogen mulighed for at vide dengang, er ikke, at universet ikke er uendeligt stort (det kunne det stadig være), men at det ikke i sin nuværende form går uendeligt langt tilbage i tiden. Det univers, som vi lever i i dag, havde en begyndelse: en dag uden en gårdag. Denne begyndelse er kendt som Big Bang, som sætter en startlinje for al den materie, stråling, energi og lys, der muligvis findes i det observerbare univers.
Universet har ikke eksisteret i al evighed, og derfor kan vi kun observere stjerner og galakser, der er en bestemt og begrænset afstand væk. Derfor kan vi kun modtage en begrænset mængde lys, varme og energi fra dem, og der kan ikke være en vilkårligt stor mængde lys på vores nattehimmel.
Kunstnerisk forestilling på logaritmisk skala af det observerbare univers. Galakserne giver plads til storskala… struktur og det varme, tætte plasma fra Big Bang i udkanten. At forsøge at finde ud af, hvor mange galakser der findes i det synlige univers, er en af vor tids store kosmiske quests.
Wikipedia-bruger Pablo Carlos Budassi
Men dette bringer endnu en brik til puslespillet frem. Hvis universet var varmt og tæt og fyldt med stof og stråling på et tidligt tidspunkt, som Big Bang hævder, så burde denne stråling fra den tidlige tid på et tidspunkt nå frem til vores øjne. Overalt hvor vi ser hen, i alle retninger, burde der ikke være nogen mulighed for at undslippe denne stråling.
Faktisk kan vi faktisk ud fra nutidens observationer beregne, hvor mange fotoner, der er tilbage fra Big Bang, der fylder universet i dag, og svaret er 411 af dem for hver kubikcentimeter rum. Hvis du spørger, hvorfor vi ikke opdager det, så er svaret, at det gør vi, og det gør vi hele tiden. Hvis man tog et meget gammelt fjernsyn, et fjernsyn med kanin-øre-antenner, med ud i det intergalaktiske rum, væk fra alle stjerne- eller jordbaserede radiokilder, kunne man indstille det på kanal 3. Du ville stadig se ca. 1% af den “sne”, du ser på Jorden; det er strålingen fra Big Bang.
Dette gammeldags fjernsyn har den gammeldags antenne på toppen, der bruges til at opfange … fjernsynssignaler. Her på Jorden skyldes en lille brøkdel af dette ‘sne’-signal, omkring 1 %, strålingen fra Big Bang.
Getty
Sagen er den, at vi modtager dette lys fra Big Bang, og at det findes overalt på himlen på en uundgåelig måde. Den eneste grund til, at du ikke kan se det med det blotte øje, er, at universet har udvidet sig i løbet af den kosmiske historie, og derfor er dette engang synlige lys nu forskudt til så lange bølgelængder, at dine øjne ikke kan se dem, din hud kan ikke føle dem, og din krop kan ikke registrere det.
Men dine mikrobølge- og radioantenner kan opfange dem. Faktisk er det sådan, at denne stråling først blev opdaget, og hvordan Big Bang først blev bekræftet: med en gigantisk radioantenne, der opfangede dette signal, uanset hvornår eller hvor forskerne, der betjente den, kiggede hen. Hvis vores øjne havde tilpasset sig til at se mikrobølge- eller radiolys, ville vi faktisk se en nattehimmel, der var ensartet lys i alle retninger uden mørke pletter nogen steder.
I henhold til Penzias og Wilsons oprindelige observationer udsendte det galaktiske plan nogle … astrofysiske strålingskilder (centrum), men over og under var der kun en næsten perfekt, ensartet baggrund af stråling tilbage. Temperaturen og spektret af denne stråling er nu blevet målt, og overensstemmelsen med Big Bang’s forudsigelser er ekstraordinær. Hvis vi kunne se mikrobølgelyset med vores øjne, ville hele nattehimlen se ud som den viste grønne oval.
NASA / WMAP Science Team
Det kræver to kendsgerninger, sammenlagt, at forklare, hvorfor nattehimlen er mørk. Den første er, at universet kun har eksisteret i et begrænset tidsrum, hvilket begrænser omfanget og mængden af den stråling, der i øjeblikket kan observeres af os. Den anden er, at vi kun kan se lys i en begrænset del af det elektromagnetiske spektrum: den optiske del.
Hvis vi i stedet kunne se himlen i mikrobølgelys, ville himlen til enhver tid fremstå lys i alle retninger. Det er lidt ironisk, når man tænker over det, at det kun er vores meget menneskelige begrænsninger, der har fået nattehimlen til at fremstå som et interessant sted overhovedet at udforske. I dag har vi bygget satellitter, der er designet til at måle denne stråling på en udsøgt måde, og de har lært os langt mere om vores universets oprindelse og egenskaber, end vi nogensinde ville lære ved at bruge vores begrænsede sanser alene. Nattehimlen kan virke mørk for os, men det lys, der altid er der, har lært os den ultimative løsning på dette kosmiske paradoks.