Nu există nicio îndoială, pentru oricine care a experimentat-o vreodată, că cerul de noapte este de fapt întunecat. Dar… explicarea acestui fapt simplu, dacă te gândești la el în profunzime, ridică o mulțime de întrebări care trebuie abordate.
Utilizator Wikimedia Commons ForestWander
Din perspectiva noastră aici, în Sistemul Solar, are un sens absolut intuitiv de ce vedem ceea ce vedem ziua față de noapte. În timpul zilei, lumina solară inundă atmosfera noastră în toate direcțiile, atât lumina directă, cât și cea reflectată venind spre noi de oriunde putem vedea. Noaptea, lumina Soarelui nu inundă atmosfera și, prin urmare, este întuneric peste tot pe cer unde nu există un punct de lumină, cum ar fi o stea, o planetă sau Luna.
Dar s-ar putea să începeți să vă întrebați un pic mai profund decât atât. Dacă Universul este infinit, nu ar trebui ca linia noastră de vizibilitate să se întâlnească în cele din urmă cu o stea, indiferent de direcția în care privim? Având în vedere că există trilioane de galaxii acolo și că telescoapele care sunt capabile să le vadă pe cele mai slabe pe care ochii noștri nu le pot vedea, de ce lumina de la toate acestea combinate nu luminează fiecare punct de pe cer? Nu este o întrebare la care este ușor de răspuns, dar știința este la înălțimea provocării.
Calea Lactee lângă Marele Canion, întâmplător primul loc în care eu însumi am văzut Calea Lactee,… ceea ce nu s-a întâmplat până la vârsta de 20 de ani, deoarece am crescut în zone urbane. Planul Căii Lactee apare întunecat, siluetă pe fundalul stelelor situate în planul galaxiei noastre.
Bureau of Land Management, sub o licență cc-by-2.0
Aceasta este o enigmă care i-a tulburat pe oamenii de știință timp de secole. Dacă vă gândiți profund la el, s-ar putea să nu aibă nici măcar sens pentru dumneavoastră. Da, este adevărat că atmosfera noastră de aici, de pe Pământ, este în mare parte transparentă la lumina vizibilă, ceea ce ne permite să vedem noaptea în abisul vast al spațiului îndepărtat. Poziția noastră în galaxie înseamnă că doar planul galactic este întunecat de praful și gazul din prim-plan care blochează lumina din regiunea centrală a Căii Lactee.
Dar în afară de asta, v-ați putea aștepta să vedeți lumină în toate direcțiile și în toate locurile în care ați fi capabili să priviți. La urma urmei, dacă Universul este cu adevărat infinit, atunci vidul din spațiul profund continuă la nesfârșit. În orice direcție pe care ți-o poți imagina, în cele din urmă linia ta de vizibilitate se va întâlni cu un punct de lumină strălucitoare.
Compunerea completă UV-visible-IR a XDF; cea mai mare imagine publicată vreodată a distanței… Univers. Într-o regiune de doar 1/32.000.000 de ori mai mică decât cerul, am găsit 5.500 de galaxii identificabile, toate datorate telescopului spațial Hubble. Cu toate acestea, chiar și în această vedere incredibil de profundă, care dezvăluie un Univers cu sute de miliarde (sau mai multe) de galaxii în interiorul său, spațiul pare încă întunecat.
NASA, ESA, H. Teplitz și M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) și Z. Levay (STScI)
Dacă acest lucru ar fi adevărat, atunci cerul de noapte nu ar fi deloc întunecat, ci ar fi luminat de fiecare stea a cărei traiectorie luminoasă a făcut lunga călătorie până la Pământ.
Și totuși, chiar și atunci când privim în adâncurile a ceea ce pare a fi spațiul gol, unde nici o stea sau galaxie nu poate fi văzută de ochiul uman sau chiar de telescoapele convenționale, cele mai puternice observatoare ale noastre dezvăluie atât de multe lucruri care se află acolo, dar sunt încă doar câteva puncte de lumină pe fundalul negru al spațiului gol.
Da, Universul este plin de stele și galaxii. Da, ele se află la distanțe enorme: milioane, miliarde sau chiar zeci de miliarde de ani-lumină. Lumina stelelor călătorește prin Univers și ajunge la cele mai bune echipamente de observare ale noastre, dezvăluind un Univers bogat și cu o întindere enormă. Dar enorm, indiferent cât de mare devine, este foarte, foarte departe de infinit.
Este posibil ca Universul să fie cu adevărat infinit, cu un număr infinit de stele și… galaxii în toate direcțiile. Dar dacă ar fi așa, te-ai aștepta din plin ca, în cele din urmă, linia ta de vizibilitate să intersecteze un obiect luminos. Dacă ar fi așa, întunericul ar fi imposibil.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
Juriul, din punct de vedere științific, încă nu a stabilit dacă Universul este finit sau infinit; pur și simplu nu știm. Ceea ce știm, totuși, este că partea din Univers care este observabilă pentru noi trebuie să fie finită. Chiar dacă nu știam practic nimic despre structura la scară largă a Universului până în a doua jumătate a secolului al XX-lea, știam totuși că un Univers observabil infinit de mare era pur și simplu o imposibilitate.
Înapoi în anii 1800, Heinrich Olbers a luat act de un paradox matematic. Dacă ați avea un Univers infinit cu o densitate constantă de stele și/sau galaxii, atunci ați sfârși prin a vedea o cantitate infinită de lumină din fiecare direcție în care ați privi. Ai vedea toate stelele care se află în apropiere, iar apoi, în spațiile dintre stele, ai vedea stelele mai îndepărtate. În spațiile dintre aceste stele, ai vedea și mai multe stele care se află la o distanță mai mare. Indiferent de distanța până la ele – milioane, miliarde, trilioane, cvadrilioane, cvadrilioane de ani-lumină etc. – în cele din urmă, oriunde v-ați uita, ați da peste o stea.
Stelele se formează într-o mare varietate de mărimi, culori și mase, inclusiv multe stele strălucitoare, albastre, care sunt… de zeci sau chiar sute de ori mai masive decât Soarele. Acest lucru este demonstrat aici în clusterul stelar deschis NGC 3766, în constelația Centaurus. Dacă Universul ar fi infinit, chiar și un astfel de roi ca acesta nu ar prezenta „goluri” între stele, deoarece o stea mai îndepărtată ar umple în cele din urmă aceste goluri.
ESO
Gândiți-vă la aceasta din punct de vedere matematic, dacă vreți. Dacă densitatea numerică a stelelor este constantă în tot spațiul, atunci numărul total de stele pe care le veți găsi este egal cu densitatea stelară înmulțită cu volumul Universului. Cu cât o stea este mai îndepărtată, cu atât apare mai slabă: strălucirea ei scade cu inversul pătratului distanței (~1/r2).
Dar numărul total de stele pe care le puteți vedea la o anumită distanță este legat de suprafața unei sfere, care crește cu pătratul distanței. (Formula pentru suprafața unei sfere este 4πr2.) Înmulțiți numărul de stele cu luminozitatea fiecărei stele și veți obține o constantă. Luminozitatea la o anumită distanță este o anumită valoare: să o numim B. La o distanță de două ori mai mare, această luminozitate este tot B. De trei ori? Tot B. Patru? Din nou B.
O ilustrație a Paradoxului lui Olbers și a modului în care, având în vedere un Univers uniform dens, ai da peste o cantitate… infinită de lumină stelară în orice direcție.
Utilizator Wikimedia Commons Htkym
Acum adunați această serie: B + B + B + B + B + B + ….. și așa mai departe. Vă dați seama unde se ajunge? Răspunsul, din păcate, este spre infinit. Cu excepția cazului în care există o anumită limită pentru această serie, veți obține o valoare infinită pentru luminozitatea cerului de noapte în orice direcție.
În secolul al XIX-lea, Olbers a folosit această linie de raționament pentru a concluziona că Universul observabil nu poate fi infinit, dar nu putea fi sigur. La urma urmei, existau alte preocupări astronomice. Una dintre obiecțiile comune a fost că această analiză naivă nu lua în considerare tot praful care bloca lumina și care era clar prezent și pe care îl puteai vedea doar privind planul Căii Lactee. Chiar și în zilele noastre, multe dintre cele mai faimoase priveliști astronomice sunt pline de praf care blochează lumina.
Nori moleculari întunecați și prăfuiți, precum acesta care se găsește în interiorul Căii noastre Lactee, se vor prăbuși în timp și… vor da naștere la noi stele, cele mai dense regiuni din interiorul lor formând cele mai masive stele. Cu toate acestea, chiar dacă există un număr mare de stele în spate, lumina stelară nu poate străpunge praful; ea este absorbită.
ESO
Într-un Univers finit, acel praf poate concura cu lumina stelară, deoarece lumina vizibilă care lovește praful este absorbită și re-radiată la energii mai mici. Dar dacă Universul ar fi cu adevărat infinit, problema Paradoxului lui Olbers ar apărea pentru fiecare grăunte de praf de acolo: fiecare grăunte ar trebui să absoarbă o cantitate infinită de lumină stelară, până când și el ar radia la aceeași temperatură cu toată lumina pe care a absorbit-o!
Cu alte cuvinte, ceva nu era în regulă. Universul nostru nu putea fi static, infinit și plin de stele care să strălucească la nesfârșit. Dacă ar fi fost așa, cerul nopții ar fi fost veșnic și veșnic luminos, în toate locurile și în toate direcțiile. În mod clar, altceva este la mijloc aici.
Universul observabil ar putea fi de 46 de miliarde de ani lumină în toate direcțiile din punctul nostru de vedere,… dar cu siguranță există mai mult, un Univers neobservabil, poate chiar o cantitate infinită, la fel ca al nostru, dincolo de acesta. Universul poate fi infinit, dar noi nu putem vedea decât lumina care a călătorit timp de 13,8 miliarde de ani: cantitatea de timp de la Big Bang.
Frédéric MICHEL și Andrew Z. Colvin, adnotat de E. Siegel
Faptul care ne salvează, pe care Olbers nu avea cum să-l cunoască pe vremea lui, nu este că Universul nu este infinit ca întindere (ar putea fi în continuare), ci că el nu se întoarce, în forma sa actuală, pe o perioadă de timp infinită. Universul pe care îl locuim astăzi a avut un început: o zi fără ieri. Acest început este cunoscut sub numele de Big Bang, care pune o linie de start pentru toată materia, radiația, energia și lumina care există, eventual, în Universul observabil.
Universul nu a existat dintotdeauna și, prin urmare, putem observa doar stelele și galaxiile care se află la o distanță specifică și finită. Prin urmare, nu putem primi de la ele decât o cantitate finită de lumină, căldură și energie și nu poate exista o cantitate arbitrar de mare de lumină pe cerul nostru nocturn.
Concepția pe scară logaritmică a artistului despre universul observabil. Galaxiile cedează locul unei structuri la scară largă… și la periferie plasma fierbinte și densă a Big Bang-ului. Încercarea de a afla câte galaxii există în Universul vizibil este una dintre marile căutări cosmice ale timpului nostru.
Utilizatorul Wikipedia Pablo Carlos Budassi
Dar acest lucru aduce o altă piesă a puzzle-ului. Dacă Universul a fost fierbinte și dens și plin de materie și radiație la un moment dat, așa cum susține Big Bang-ul, atunci acea radiație timpurie ar trebui să ajungă în cele din urmă până la ochii noștri. Oriunde ne uităm, în toate direcțiile, nu ar trebui să existe nici o scăpare de acea radiație.
De fapt, pe baza observațiilor din zilele noastre, putem calcula câți fotoni rămași de la Big Bang umplu astăzi Universul, iar răspunsul este 411 dintre ei pentru fiecare centimetru cub de spațiu. Dacă vă întrebați de ce nu îi detectăm, răspunsul este că îi detectăm, și o facem tot timpul. Dacă ați lua un televizor de tip foarte vechi, unul cu antene de tip ureche de iepure, în adâncul spațiului intergalactic, departe de orice sursă radio stelară sau terestră, ați putea să-l acordați pe canalul 3. Ați mai vedea încă aproximativ 1% din „zăpada” pe care o vedeți pe Pământ; aceasta este radiația de la Big Bang.
Acest televizor în stil vintage are în vârf antene de școală veche, folosite pentru a capta… semnale de televiziune. Aici, pe Pământ, o fracțiune infimă din acel semnal „zăpadă”, aproximativ 1%, se datorează radiației provenite de la Big Bang.
Getty
Realitatea este că noi primim această lumină de la Big Bang și că ea se găsește pe tot cerul într-un mod inevitabil. Singurul motiv pentru care nu o vedeți cu ochiul liber este pentru că Universul s-a extins de-a lungul istoriei cosmice, astfel încât această lumină cândva vizibilă este acum deplasată la lungimi de undă atât de mari încât ochii voștri nu le pot vedea, pielea nu le poate simți și corpul vostru nu le poate detecta.
Dar antenele voastre de microunde și radio le pot capta. De fapt, așa a fost descoperită pentru prima dată această radiație și așa a fost confirmat pentru prima dată Big Bang-ul: cu o antenă radio gigantică care a captat acest semnal, indiferent de momentul sau de locul în care se uitau oamenii de știință care o operau. Dacă ochii noștri s-ar fi adaptat pentru a vedea lumina de microunde sau radio, am fi văzut, de fapt, un cer de noapte uniform luminos în toate direcțiile, fără pete întunecate nicăieri.
Conform observațiilor inițiale ale lui Penzias și Wilson, planul galactic emitea câteva… surse astrofizice de radiație (centru), dar deasupra și dedesubt, tot ce rămânea era un fond de radiație aproape perfect și uniform. Temperatura și spectrul acestei radiații au fost acum măsurate, iar concordanța cu predicțiile Big Bang-ului sunt extraordinare. Dacă am putea vedea lumina de microunde cu ochii noștri, întregul cer de noapte ar arăta ca ovalul verde prezentat.
NASA / WMAP Science Team
Este nevoie de două fapte, împreună, pentru a explica de ce cerul de noapte este întunecat. Primul este faptul că Universul există doar de o perioadă finită de timp, ceea ce limitează amploarea și cantitatea de radiație care este observabilă în prezent pentru noi. Al doilea este că putem vedea lumina doar într-o parte limitată a spectrului electromagnetic: porțiunea optică.
Dacă am putea, în schimb, să privim cerul în lumină de microunde, cerul ar apărea luminos în toate direcțiile și în orice moment. Este un pic ironic, când te gândești la asta, că doar limitările noastre foarte umane au făcut ca cerul nopții să pară un loc interesant de explorat. Astăzi, am construit sateliți concepuți pentru a măsura această radiație în mod rafinat, iar aceștia ne-au învățat mult mai multe despre originea și proprietățile Universului nostru decât am fi aflat vreodată folosindu-ne doar de simțurile noastre limitate. Cerul nopții poate părea întunecat pentru noi, dar lumina care este întotdeauna acolo ne-a învățat rezolvarea finală a acestui paradox cosmic.
.