Nie ma wątpliwości, dla każdego, kto kiedykolwiek tego doświadczył, że nocne niebo jest w rzeczywistości ciemne. Ale… wyjaśnienie tego prostego faktu, jeśli się nad nim głęboko zastanowić, rodzi wiele pytań, którymi należy się zająć.
Wikimedia Commons użytkownik ForestWander
Z naszej perspektywy tutaj w Układzie Słonecznym, ma to absolutnie intuicyjny sens, dlaczego widzimy to, co widzimy w dzień, a nie w nocy. W ciągu dnia, światło słoneczne zalewa naszą atmosferę we wszystkich kierunkach, zarówno bezpośrednie jak i odbite światło słoneczne dociera do nas z każdego miejsca, które możemy zobaczyć. W nocy światło słoneczne nie zalewa atmosfery, a więc jest ciemno wszędzie na niebie, gdzie nie ma punktu świetlnego, jak gwiazda, planeta czy Księżyc.
Ale możesz zacząć się zastanawiać nieco głębiej niż to. Jeśli Wszechświat jest nieskończony, to czy nasza linia wzroku nie powinna w końcu natrafić na gwiazdę bez względu na kierunek, w którym patrzymy? Biorąc pod uwagę, że istnieją biliony galaktyk i że teleskopy są w stanie dostrzec te słabe, których nasze oczy nie widzą, dlaczego światło z nich wszystkich razem wziętych nie oświetla każdego punktu na niebie? Nie jest to łatwe pytanie do odpowiedzi, ale nauka jest w stanie sprostać wyzwaniu.
Droga Mleczna w pobliżu Wielkiego Kanionu, przypadkowo pierwsze miejsce, w którym ja sam kiedykolwiek zobaczyłem Drogę Mleczną,… co nie zdarzyło się aż do moich 20-tych lat, jak dorastałem w obszarach miejskich. Płaszczyzna Drogi Mlecznej wydaje się ciemna, zarysowana na tle gwiazd znajdujących się w płaszczyźnie naszej galaktyki.
Bureau of Land Management, na licencji cc-by-2.0
Jest to zagadka, która niepokoi naukowców od wieków. Jeśli się nad nią głęboko zastanowisz, może nawet nie mieć dla ciebie sensu. Tak, to prawda, że nasza atmosfera tutaj na Ziemi jest w dużej mierze przezroczysta dla światła widzialnego, co pozwala nam widzieć w nocy ogromne otchłanie głębokiego kosmosu. Nasze położenie w galaktyce oznacza, że tylko płaszczyzna galaktyki jest przesłonięta przez pył i gaz na pierwszym planie, który blokuje światło z centralnego regionu Drogi Mlecznej.
Ale poza tym, mógłbyś oczekiwać, że zobaczysz światło w każdym kierunku i w każdym miejscu, do którego byłbyś w stanie zajrzeć. W końcu, jeśli Wszechświat jest naprawdę nieskończony, to pustka głębokiej przestrzeni kosmicznej ciągnie się w nieskończoność. W każdym kierunku, jaki możesz sobie wyobrazić, w końcu twoja linia wzroku natrafi na świecący punkt światła.
Pełny kompozyt UV-visible-IR z XDF; najwspanialszy obraz, jaki kiedykolwiek został wydany dla odległego… Wszechświata. W regionie zajmującym zaledwie 1/32 000 000 część nieba znaleźliśmy 5 500 możliwych do zidentyfikowania galaktyk, a wszystko to dzięki Kosmicznemu Teleskopowi Hubble’a. Jednak nawet w tym niezwykle głębokim widoku, ujawniającym Wszechświat z setkami miliardów (lub więcej) galaktyk wewnątrz niego, przestrzeń wciąż wydaje się ciemna.
NASA, ESA, H. Teplitz i M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)
Gdyby to była prawda, to nocne niebo nie byłoby wcale ciemne, ale byłoby oświetlone przez każdą gwiazdę, której ścieżka światła odbyła długą podróż na Ziemię.
Ale nawet gdy patrzymy w najgłębsze czeluści tego, co wydaje się być pustą przestrzenią, gdzie żadne gwiazdy ani galaktyki nie mogą być dostrzeżone przez ludzkie oczy ani nawet konwencjonalne teleskopy, nasze najpotężniejsze obserwatoria ujawniają tak wiele, co tam jest, ale to wciąż tylko kilka punktów światła na czarnym tle pustej przestrzeni.
Tak, Wszechświat jest pełen gwiazd i galaktyk. Tak, znajdują się one w ogromnych odległościach: miliony, miliardy, a nawet dziesiątki miliardów lat świetlnych od nas. Światło gwiazd podróżuje przez Wszechświat i dociera do naszych najlepszych urządzeń obserwacyjnych, ukazując bogaty Wszechświat o ogromnym zasięgu. Ale ogromny, bez względu na to, jak wielki się staje, jest bardzo, bardzo daleki od nieskończonego.
Może być możliwe, że Wszechświat jest naprawdę nieskończony, z nieskończoną liczbą gwiazd i… galaktyk we wszystkich kierunkach. Ale jeśli tak by było, w pełni oczekiwałbyś, że w końcu twoja linia wzroku przetnie się ze świetlistym obiektem. Gdyby tak było, ciemność byłaby niemożliwa.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
Z naukowego punktu widzenia nadal nie wiemy, czy Wszechświat jest skończony czy nieskończony; po prostu nie wiemy. Wiemy jednak, że ta część Wszechświata, która jest dla nas obserwowalna, musi być skończona. Nawet jeśli nie wiedzieliśmy praktycznie nic o wielkoskalowej strukturze Wszechświata aż do drugiej połowy XX wieku, wciąż wiedzieliśmy, że nieskończenie wielki obserwowalny Wszechświat jest po prostu niemożliwy.
Już w 1800 roku Heinrich Olbers zwrócił uwagę na matematyczny paradoks. Jeśli miałbyś nieskończony Wszechświat ze stałą gęstością gwiazd i/lub galaktyk, wtedy zobaczyłbyś nieskończoną ilość światła z każdego kierunku, w który byś spojrzał. Widzielibyśmy wszystkie gwiazdy znajdujące się w pobliżu, a następnie w przestrzeniach pomiędzy gwiazdami widzielibyśmy gwiazdy znajdujące się dalej. W przestrzeni pomiędzy tymi gwiazdami zobaczyłbyś jeszcze więcej gwiazd, które znajdowały się w większej odległości. Niezależnie od odległości do nich – miliony, miliardy, tryliony, kwadryliony lat świetlnych itd. – w końcu, gdziekolwiek byś nie spojrzał, natknąłbyś się na gwiazdę.
Gwiazdy tworzą się w szerokiej gamie rozmiarów, kolorów i mas, w tym wiele jasnych, niebieskich, które są… dziesiątki, a nawet setki razy masywniejsze od Słońca. Widać to tutaj w otwartej gromadzie gwiazd NGC 3766, w gwiazdozbiorze Centaura. Gdyby Wszechświat był nieskończony, nawet taka gromada nie wykazywałaby 'luk’ pomiędzy gwiazdami, ponieważ bardziej odległa gwiazda w końcu wypełniłaby te luki.
ESO
Pomyśl o tym matematycznie, jeśli chcesz. Jeśli gęstość gwiazd jest stała w całej przestrzeni, to całkowita liczba gwiazd, które znajdziesz, jest równa gęstości gwiazd pomnożonej przez objętość Wszechświata. Im dalej znajduje się gwiazda, tym bledsza się ona wydaje: jej jasność spada jako odwrotność kwadratu odległości (~1/r2).
Ale całkowita liczba gwiazd, które możesz zobaczyć w danej odległości jest związana z powierzchnią kuli, która rośnie z kwadratem odległości. (Wzór na pole powierzchni kuli to 4πr2.) Pomnóż liczbę gwiazd przez jasność każdej z nich, a otrzymasz stałą. Jasność w pewnej odległości od nas ma określoną wartość: nazwijmy ją B. Dwa razy dalej jasność ta wynosi również B. Trzy razy? Nadal B. Cztery? Znów B.
Ilustracja Paradoksu Olbersa i tego, jak w jednorodnie gęstym Wszechświecie natknąłbyś się na… nieskończoną ilość światła gwiazd w każdym kierunku.
Wikimedia Commons użytkownik Htkym
Teraz dodaj tę serię: B + B + B + B + B + ….. i tak dalej. Czy widzisz, dokąd to zmierza? Odpowiedź, niestety, jest w kierunku nieskończoności. Jeśli nie ma jakiegoś odcięcia tej serii, otrzymasz nieskończoną wartość jasności nocnego nieba w każdym kierunku.
Jeszcze w XIX wieku Olbers użył tej linii rozumowania, aby stwierdzić, że obserwowalny Wszechświat nie może być nieskończony, ale nie mógł być tego pewien. Istniały przecież inne astronomiczne obawy. Jednym z powszechnych zarzutów było to, że ta naiwna analiza nie brała pod uwagę całego blokującego światło pyłu, który był wyraźnie obecny i który można było zobaczyć, patrząc na płaszczyznę Drogi Mlecznej. Nawet w dzisiejszych czasach wiele z naszych najbardziej znanych zabytków astronomicznych jest wypełnionych pyłem blokującym światło.
Ciemne, zapylone obłoki molekularne, takie jak ten znaleziony w naszej Drodze Mlecznej, zapadają się z czasem i… dają początek nowym gwiazdom, z najgęstszymi regionami tworzącymi najbardziej masywne gwiazdy. Jednakże, nawet jeśli za nim znajduje się wiele gwiazd, światło gwiazd nie może przebić się przez pył; zostaje pochłonięte.
ESO
W skończonym Wszechświecie pył może konkurować ze światłem gwiazd, ponieważ światło widzialne, które uderza w pył, zostaje pochłonięte i ponownie wypromieniowane przy niższych energiach. Ale gdyby Wszechświat był naprawdę nieskończony, problem Paradoksu Olbersa pojawiłby się dla każdego ziarna pyłu: każde ziarno musiałoby pochłaniać nieskończoną ilość światła gwiazd, aż ono również promieniowałoby w tej samej temperaturze co całe pochłonięte światło!
Innymi słowy, coś było nie tak. Nasz Wszechświat nie mógł być statyczny, nieskończony i wypełniony gwiazdami, które świeciły wiecznie. Gdyby tak było, nocne niebo byłoby wiecznie i wiecznie jasne, we wszystkich miejscach i kierunkach. Najwyraźniej coś innego jest tu w pracy.
Obserwowalny Wszechświat może mieć 46 miliardów lat świetlnych we wszystkich kierunkach z naszego punktu widzenia,… ale z pewnością jest więcej, nieobserwowalny Wszechświat, być może nawet nieskończona ilość, tak jak nasz poza tym. Wszechświat może być nieskończony, ale my możemy zobaczyć tylko światło, które podróżowało przez 13,8 miliarda lat: tyle czasu od Wielkiego Wybuchu.
Frédéric MICHEL i Andrew Z. Colvin, annotated by E. Siegel
Faktem, który nas ratuje, a którego Olbers nie miał możliwości poznać w swoich czasach, nie jest to, że Wszechświat nie jest nieskończony w zakresie (wciąż mógłby być), ale że nie cofa się, w swojej obecnej formie, przez nieskończoną ilość czasu. Wszechświat, który dziś zamieszkujemy, miał swój początek: dzień bez wczoraj. Ten początek jest znany jako Wielki Wybuch, który stawia linię początkową dla całej materii, promieniowania, energii i światła, które prawdopodobnie istnieją w obserwowalnym Wszechświecie.
Wszechświat nie istniał od zawsze i dlatego możemy obserwować tylko gwiazdy i galaktyki, które są w określonej i skończonej odległości. Dlatego możemy otrzymać od nich tylko skończoną ilość światła, ciepła i energii, a na naszym nocnym niebie nie może być dowolnie dużej ilości światła.
Artystyczna koncepcja obserwowalnego Wszechświata w skali logarytmicznej. Galaktyki ustępują miejsca wielkoskalowym… strukturom i gorącej, gęstej plazmie Wielkiego Wybuchu na obrzeżach. Próba ustalenia, ile galaktyk istnieje w widzialnym Wszechświecie, jest jednym z wielkich kosmicznych poszukiwań naszych czasów.
Użytkownik Wikipedii Pablo Carlos Budassi
Ale to nasuwa kolejny element układanki. Jeśli Wszechświat był gorący i gęsty, pełen materii i promieniowania w jakimś wczesnym okresie, jak twierdzi Wielki Wybuch, to to wczesne promieniowanie powinno w końcu dotrzeć do naszych oczu. Gdziekolwiek spojrzymy, we wszystkich kierunkach, nie powinno być ucieczki od tego promieniowania.
W rzeczywistości, w oparciu o współczesne obserwacje, możemy obliczyć, ile fotonów pozostałych po Wielkim Wybuchu wypełnia dziś Wszechświat, a odpowiedź brzmi: 411 na każdy centymetr sześcienny przestrzeni. Jeśli pytasz, dlaczego tego nie wykrywamy, odpowiedź brzmi: wykrywamy, i to przez cały czas. Gdybyś wziął telewizor w bardzo starym stylu, taki z anteną z króliczymi uszami, w głąb przestrzeni międzygalaktycznej, z dala od wszelkich gwiezdnych i naziemnych źródeł radiowych, mógłbyś go dostroić do kanału 3. Nadal widziałbyś około 1% „śniegu”, który widzisz na Ziemi; to promieniowanie z Wielkiego Wybuchu.
Ten telewizor w stylu vintage ma na szczycie antenę w starym stylu, używaną do odbierania… sygnałów telewizyjnych. Tutaj na Ziemi, niewielki ułamek tego „śnieżnego” sygnału, około 1%, jest spowodowany promieniowaniem z Wielkiego Wybuchu.
Getty
Faktem jest, że otrzymujemy to światło z Wielkiego Wybuchu, i że można je znaleźć na całym niebie w nieunikniony sposób. Jedynym powodem, dla którego nie widzimy go gołym okiem jest to, że Wszechświat rozszerzył się w ciągu historii kosmosu, a więc to niegdyś widzialne światło jest teraz przesunięte do tak długich fal, że twoje oczy nie mogą go zobaczyć, twoja skóra nie może go poczuć, a twoje ciało nie może go wykryć.
Ale twoje anteny mikrofalowe i radiowe mogą je odebrać. W rzeczywistości, tak właśnie odkryto to promieniowanie i tak właśnie potwierdzono Wielki Wybuch: za pomocą gigantycznej anteny radiowej, która odebrała ten sygnał, bez względu na to, kiedy i gdzie patrzyli obsługujący ją naukowcy. Gdyby nasze oczy przystosowały się do widzenia światła mikrofalowego lub radiowego, w rzeczywistości widzielibyśmy nocne niebo, które było jednolicie jasne w każdym kierunku, bez żadnych ciemnych plam gdziekolwiek.
Zgodnie z oryginalnymi obserwacjami Penziasa i Wilsona, płaszczyzna galaktyczna emitowała pewne… astrofizyczne źródła promieniowania (środek), ale powyżej i poniżej, wszystko co pozostawało to prawie doskonałe, jednolite tło promieniowania. Temperatura i widmo tego promieniowania zostały obecnie zmierzone, a zgodność z przewidywaniami Wielkiego Wybuchu jest nadzwyczajna. Gdybyśmy mogli zobaczyć światło mikrofalowe naszymi oczami, całe nocne niebo wyglądałoby jak pokazany zielony owal.
NASA / WMAP Science Team
Potrzeba dwóch faktów, razem, aby wyjaśnić, dlaczego nocne niebo jest ciemne. Pierwszym z nich jest to, że Wszechświat istnieje tylko przez skończony czas, co ogranicza zakres i ilość promieniowania, które jest dla nas obecnie obserwowalne. Drugim jest to, że możemy zobaczyć światło tylko w ograniczonej części widma elektromagnetycznego: części optycznej.
Gdybyśmy zamiast tego mogli oglądać niebo w świetle mikrofalowym, niebo wydawałoby się jasne we wszystkich kierunkach przez cały czas. To trochę ironiczne, gdy się nad tym zastanowić, że to tylko nasze bardzo ludzkie ograniczenia sprawiły, że nocne niebo wygląda w ogóle na interesujące miejsce do badania. Dziś zbudowaliśmy satelity zaprojektowane do precyzyjnego pomiaru tego promieniowania, które nauczyły nas o wiele więcej o pochodzeniu i właściwościach naszego Wszechświata, niż kiedykolwiek dowiedzielibyśmy się używając tylko naszych ograniczonych zmysłów. Nocne niebo może wydawać się nam ciemne, ale światło, które zawsze tam jest, nauczyło nas ostatecznego rozwiązania tego kosmicznego paradoksu.