Az, hogy az éjszakai égbolt valóban sötét, ahhoz senki sem fér kétség, aki valaha is tapasztalta. De… ennek az egyszerű ténynek a megmagyarázása, ha mélyen belegondolunk, sok kérdést vet fel, amelyekkel foglalkozni kell.
Wikimedia Commons felhasználó ForestWander
A mi nézőpontunkból itt a Naprendszerben abszolút intuitív értelme van annak, hogy miért látjuk azt, amit nappal és miért éjszaka. Nappal a napfény minden irányból elárasztja a légkörünket, a közvetlen és a visszavert napfény mindenhonnan, ahová csak látunk, eljut hozzánk. Éjszaka a napfény nem árasztja el a légkört, és így mindenhol sötét van az égen, ahol nincs egy fénypont, mint például egy csillag, bolygó vagy a Hold.
De ennél egy kicsit mélyebben is elgondolkodhatunk. Ha az Univerzum végtelen, nem kellene-e a látóvonalunknak előbb-utóbb egy csillagba futnia, bármilyen irányba is nézünk? Tekintve, hogy galaxisok trilliói vannak odakint, és hogy a távcsövek képesek meglátni a halványabbakat is, amiket a mi szemünk nem, miért nem világítja meg az összes galaxis fénye együttesen az égbolt minden pontját? Nem könnyű megválaszolni ezt a kérdést, de a tudomány készen áll a kihívásra.
A Tejút a Grand Canyon közelében, véletlenül az első hely, ahol én magam is láttam a Tejutat,… ami nem történt meg a 20-as éveimig, mivel városi környezetben nőttem fel. A Tejút síkja sötétnek tűnik, sziluettként a galaxisunk síkjában található háttércsillagokkal szemben.
Bureau of Land Management, cc-by-2.0 licenc alatt
Ez a rejtély évszázadok óta foglalkoztatja a tudósokat. Ha mélyen belegondolsz, talán még számodra sem lesz értelme. Igen, igaz, hogy a légkörünk itt a Földön nagyrészt átlátszó a látható fény számára, ami lehetővé teszi számunkra, hogy éjszaka belássunk a mélyűr hatalmas mélységeibe. A galaxisban elfoglalt helyünk azt jelenti, hogy csak a galaktikus síkot takarja el az előtérben lévő por és gáz, amely elzárja a Tejútrendszer központi régiójából érkező fényt.
De ezen kívül elvárhatnánk, hogy minden irányban és minden olyan helyen fényt lássunk, ahová képesek lennénk belenézni. Végül is, ha az Univerzum valóban végtelen, akkor a mélyűr üressége örökké tart. Bármelyik irányban, amit csak el tudsz képzelni, a látóhatárod végül bele fog futni egy ragyogó fénypontba.
Az XDF teljes UV-látható-IR kompozitja; a valaha kiadott legnagyobb kép a távoli… Univerzum. Az égbolt mindössze 1/32 000 000-ed részén 5500 azonosítható galaxist találtunk, mindezt a Hubble Űrteleszkópnak köszönhetően. De még ebben a hihetetlenül mély nézetben is, amely egy olyan Univerzumot mutat, amelyben több százmilliárd (vagy még több) galaxis található, a világűr még mindig sötétnek tűnik.
NASA, ESA, H. Teplitz és M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), és Z. Levay (STScI)
Ha ez igaz lenne, akkor az éjszakai égbolt egyáltalán nem lenne sötét, hanem minden olyan csillag világítana, amelynek fényútja megtette a hosszú utat a Földig.
Mégis, még ha az üresnek tűnő űr legmélyére nézünk, ahol emberi szemmel vagy akár hagyományos távcsövekkel sem láthatunk csillagokat vagy galaxisokat, a legerősebb obszervatóriumaink oly sok mindent felfedeznek, ami ott van, de ez még mindig csak néhány fénypont az üres űr fekete hátterében.
Igen, az Univerzum tele van csillagokkal és galaxisokkal. Igen, óriási távolságokban vannak: több millió, milliárd, vagy akár több tízmilliárd fényévnyi távolságra. A csillagok fénye átutazik az Univerzumon, és eléri a legjobb megfigyelőberendezéseinket, feltárva egy hatalmas kiterjedésű, gazdag Univerzumot. De a hatalmas, bármilyen nagy is legyen, nagyon-nagyon messze van a végtelentől.
Ez lehetséges, hogy az Univerzum valóban végtelen, végtelen számú csillaggal és… galaxisokkal minden irányban. De ha ez így lenne, akkor teljes mértékben számítanánk arra, hogy a látóvonalunk előbb-utóbb keresztezni fog egy fényes objektumot. Ha ez így lenne, a sötétség lehetetlen lenne.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
Tudományos szempontból még mindig nem tudjuk, hogy az Univerzum véges vagy végtelen; egyszerűen nem tudjuk. Azt azonban tudjuk, hogy az Univerzum általunk megfigyelhető részének végesnek kell lennie. Bár a 20. század második feléig gyakorlatilag semmit sem tudtunk az Univerzum nagyléptékű szerkezetéről, mégis tudtuk, hogy egy végtelenül nagy, megfigyelhető Univerzum egyszerűen lehetetlen.
Még az 1800-as években Heinrich Olbers felfigyelt egy matematikai paradoxonra. Ha lenne egy végtelen Univerzum a csillagok és/vagy galaxisok állandó sűrűségével, akkor a végén minden irányból végtelen mennyiségű fényt látnánk. Látnánk az összes csillagot, ami a közelben van, és a csillagok közötti térben látnánk a távolabbi csillagokat. A csillagok közötti térben pedig még több csillagot látnál, amelyek nagyobb távolságban vannak. Függetlenül a távolságtól – millió, milliárd, billió, trillió, négymilliárd fényév, stb. – végül, bárhová is néztél, mindenhol belefutottál egy csillagba.
A csillagok sokféle méretű, színű és tömegűek, köztük sok fényes, kék csillag, amelyek… több tízszer vagy akár több százszor olyan tömegűek, mint a Nap. Ezt mutatja itt a Centaurus csillagképben található NGC 3766 nyílt csillaghalmaz. Ha az Univerzum végtelen lenne, még egy ilyen halmaz sem mutatna “hézagokat” a csillagok között, mivel egy távolabbi csillag előbb-utóbb kitöltené ezeket a hézagokat.
ESO
Gondoljunk erre matematikailag, ha úgy tetszik. Ha a csillagok számsűrűsége állandó az egész térben, akkor a csillagok teljes száma, amit találsz, egyenlő a csillagsűrűség és az Univerzum térfogatának szorzatával. Minél távolabb van egy csillag, annál halványabbnak tűnik: fényessége a távolság négyzetének fordítottjával csökken (~1/r2).
Az adott távolságban látható csillagok teljes száma viszont a gömbfelülethez kapcsolódik, amely a távolság négyzetével nő. (A gömb felületének képlete 4πr2.) Szorozzuk meg a csillagok számát az egyes csillagok fényességével, és egy állandót kapunk. A fényesség egy bizonyos távolságban egy adott érték: nevezzük B-nek. Kétszer olyan messze, ez a fényesség szintén B. Háromszor olyan messze? Még mindig B. Négy? Ismét B.
Egy illusztráció az Olbers-paradoxonról, és arról, hogy egy egyenletesen sűrű Univerzumban minden irányban… végtelen mennyiségű csillagfénybe ütközünk.
Wikimedia Commons felhasználó Htkym
Most add össze ezt a sorozatot: B + B + B + B + B + B + ….. és így tovább. Látod, hogy ez hova vezet? A válasz sajnos a végtelen felé mutat. Hacsak nincs valami határ ebben a sorozatban, akkor minden irányban végtelen értéket kapunk az éjszakai égbolt fényességére.
A 19. században Olbers ezt az érvelést használta arra a következtetésre, hogy a megfigyelhető Univerzum nem lehet végtelen, de nem lehetett biztos benne. Hiszen voltak más csillagászati aggályok is. Az egyik gyakori ellenvetés az volt, hogy ez a naiv elemzés nem vette figyelembe mindazt a fényt elzáró port, amely egyértelműen jelen van, és amelyet már a Tejútrendszer síkját nézve is láthatunk. Még napjainkban is számos leghíresebb csillagászati látványosságunk tele van fényzáró porral.
A sötét, poros molekulafelhők, mint amilyen a Tejútrendszerünkben található, idővel összeomlanak és… új csillagokat hoznak létre, a legsűrűbb régiókban a legnagyobb tömegű csillagokat alkotva. Azonban hiába van mögötte rengeteg csillag, a csillagfény nem tud áttörni a poron; elnyelődik.
ESO
Egy véges Univerzumban ez a por versenyezhet a csillagfénnyel, mivel a porba csapódó látható fényt elnyeli és alacsonyabb energiával visszasugározza. De ha az Univerzum valóban végtelen lenne, akkor az Olbers-paradoxon problémája minden egyes porszemcsénél jelentkezne: minden egyes porszemcsének végtelen mennyiségű csillagfényt kellene elnyelnie, amíg maga is ugyanolyan hőmérsékleten sugározna, mint az összes elnyelt fény!
Más szóval, valami nem stimmelt. A mi Univerzumunk nem lehetett statikus, végtelen, és nem lehetett tele örökké ragyogó csillagokkal. Ha ez így lenne, akkor az éjszakai égbolt örökké és örökké fényes lenne, minden helyen és minden irányban. Nyilvánvaló, hogy itt valami másról van szó.
A megfigyelhető Univerzum a mi nézőpontunkból 46 milliárd fényév lehet minden irányban,… de biztosan van még több, nem megfigyelhető Univerzum, talán még végtelen mennyiségű is, akárcsak a miénk ezen túl. Lehet, hogy az Univerzum végtelen, de mi csak azt a fényt látjuk, amely 13,8 milliárd évet utazott: ennyi idő telt el az ősrobbanás óta.
Frédéric MICHEL és Andrew Z. Colvin, jegyzetekkel ellátva E. Siegel
A minket megmentő tény, amit Olbers annak idején nem tudhatott, nem az, hogy az Univerzum nem végtelen kiterjedésű (még mindig az lehet), hanem az, hogy a jelenlegi formájában nem megy vissza végtelen hosszú időre. Az Univerzumnak, amelyben ma élünk, volt egy kezdete: egy tegnap nélküli nap. Ezt a kezdetet ősrobbanásnak nevezzük, ami kiindulópontot ad minden anyagnak, sugárzásnak, energiának és fénynek, ami a megfigyelhető Univerzumban esetleg létezik.
A Világegyetem nem létezik örökké, és ezért csak olyan csillagokat és galaxisokat figyelhetünk meg, amelyek egy meghatározott és véges távolságban vannak. Ezért csak véges mennyiségű fényt, hőt és energiát kaphatunk tőlük, és nem lehet tetszőlegesen nagy mennyiségű fény az éjszakai égboltunkon.
A megfigyelhető világegyetem művészi logaritmikus skálájú elképzelése. A galaxisok utat engednek a nagyméretű… struktúrának és az ősrobbanás forró, sűrű plazmájának a peremén. Az, hogy megpróbáljuk kitalálni, hány galaxis létezik a látható Univerzumban, korunk egyik nagy kozmikus küldetése.”
Pablo Carlos Budassi
Azzal azonban a rejtély egy másik darabja is felmerül. Ha az Univerzum forró és sűrű, anyaggal és sugárzással teli volt valamikor a korai időkben, ahogy az ősrobbanás állítja, akkor ennek a korai időbeli sugárzásnak előbb-utóbb el kellene jutnia a szemünkig. Bármerre nézünk, minden irányban, nem szabadna elkerülni ezt a sugárzást.
A mai megfigyelések alapján ki tudjuk számítani, hogy hány, az ősrobbanásból visszamaradt foton tölti ki ma az Univerzumot, és a válasz: 411 foton jut minden köbcentiméternyi térre. Ha azt kérdezed, hogy miért nem észleljük, a válasz az, hogy igen, és folyamatosan észleljük. Ha egy nagyon régi típusú, nyúlfüles antennával ellátott televíziót vinnénk ki az intergalaktikus tér mélyére, távol minden csillag- vagy földi rádióforrástól, akkor a 3-as csatornára hangolhatnánk. Még mindig a Földön látható “hó” kb. 1%-át látnád; ez az ősrobbanásból származó sugárzás.
Ez a régi típusú televízió a régi típusú antennával a tetején, amit a… televíziós jelek vételére használnak. Itt a Földön ennek a “havas” jelnek egy parányi töredéke, kb. 1%-a az ősrobbanásból származó sugárzásnak köszönhető.
Getty
A tény az, hogy mi valóban fogadjuk ezt az ősrobbanásból származó fényt, és hogy ez elkerülhetetlenül megtalálható az égbolt minden pontján. Az egyetlen ok, amiért nem látjuk szabad szemmel, az az, hogy az Univerzum a kozmikus történelem során kitágult, és így ez az egykor látható fény most olyan hosszú hullámhosszra tolódott, hogy a szemünk nem látja, a bőrünk nem érzi, és a testünk nem érzékeli.
De a mikrohullámú és rádióantennáink felfogják. Valójában így fedezték fel először ezt a sugárzást, és így erősítették meg először az ősrobbanást: egy óriási rádióantennával, amely felvette ezt a jelet, függetlenül attól, hogy az azt működtető tudósok mikor és hová néztek. Ha a szemünk alkalmazkodott volna a mikrohullámú vagy rádiófény észleléséhez, akkor valójában egy olyan éjszakai égboltot látnánk, amely minden irányban egyenletesen világos lenne, sehol egy sötét folt.
Penzias és Wilson eredeti megfigyelései szerint a galaktikus sík kibocsátott néhány… asztrofizikai sugárforrást (középen), de fölötte és alatta csak egy közel tökéletes, egyenletes sugárzási háttér maradt. Ennek a sugárzásnak a hőmérsékletét és spektrumát mára már megmérték, és az egyezés az ősrobbanás előrejelzéseivel rendkívüli. Ha a szemünkkel látnánk a mikrohullámú fényt, az egész éjszakai égbolt úgy nézne ki, mint az ábrázolt zöld ovális.
NASA / WMAP Science Team
Két tény együttesen magyarázza meg, miért sötét az éjszakai égbolt. Az első, hogy az Univerzum csak véges ideig létezett, ami korlátozza a jelenleg általunk megfigyelhető sugárzás mértékét és mennyiségét. A második, hogy a fényt az elektromágneses spektrumnak csak egy korlátozott részében láthatjuk: az optikai részben.
Ha ehelyett mikrohullámú fényben láthatnánk az eget, akkor az égbolt minden irányban és mindenkor világosnak tűnne. Kicsit ironikus, ha belegondolunk, hogy csak a mi nagyon is emberi korlátainknak köszönhető, hogy az éjszakai égbolt egyáltalán érdekes helynek tűnik a felfedezéshez. Ma már építettünk olyan műholdakat, amelyeket arra terveztek, hogy ezt a sugárzást kiválóan mérjék, és ezek sokkal többet tanítottak nekünk Univerzumunk eredetéről és tulajdonságairól, mint amennyit valaha is megtudhatnánk pusztán korlátozott érzékszerveink segítségével. Lehet, hogy az éjszakai égbolt sötétnek tűnik számunkra, de a mindig ott lévő fény megtanított minket ennek a kozmikus paradoxonnak a végső megoldására.