Почему не видно звезд

Наша Вселенная состоит из нескольких триллионов галактик. Солнечная система находится внутри достаточно крупной галактики, общее количество которых во Вселенной ограничено несколькими десятками миллиардов единиц.

Почему не видно звезд днем?

В нашей галактике содержится 200-400 миллиардов звезд. 75% из них тусклые красные карлики, и лишь несколько процентов звезд в галактике похожи на желтые карлики, спектральному типу звезд, к которому принадлежит и наше Солнце. Для земного наблюдателя наше Солнце находится в 270 тысяч раз ближе ближайшей звезды (Проксима Центавра). В тоже время светимость уменьшается прямо пропорционально убыванию расстояния, поэтому видимая яркость Солнца на земном небе на 25 звездных величин или в 10 миллиардов раз больше видимой светимости ближайшей звезды (Сириуса). В связи с этим из-за ослепительного света Солнца на дневном небе не видны звезды. Похожая проблема встречается при попытках сфотографировать экзопланеты у близких звезд. Кроме Солнца днем можно увидеть Луну, Венеру, Юпитер, Марс, Меркурий, Международную космическую станцию (МКС) и вспышки спутников первого созвездия Иридиум. Это объясняется тем, что Луна, некоторые планеты Солнечной Системы и ИСЗ (искусственные спутники Земли) на земном небе выглядят гораздо ярче самых ярких звезд. К примеру, видимый блеск Солнца равен -27 звездных величин, у Луны в полной фазе -13, у вспышек спутников первого созвездия Иридиум -9, у МКС -6, у Венеры -5, у Юпитера и Марса -3, у Меркурия -2, у Сириуса (ярчайшей звезды) -1.6.

Шкала звездных величин видимого блеска различных астрономических объектов является логарифмической: разница в видимом блеске астрономических объектов на одну звездную величину соответствует разнице в 2,512 раз, а разница в 5 звездных величин соответствует разнице в 100 раз.

Почему не видно звезд в городе?

Кроме проблем наблюдения звезд на дневном небе существует проблема наблюдения звезд на ночном небе в населенных пунктах (вблизи крупных городов и промышленных предприятий). Световое загрязнение в этом случае вызвано искусственным излучением. Примером такого излучения можно назвать уличное освещение, подсвеченные рекламные плакаты, газовые факелы промышленных предприятий, прожекторы развлекательных мероприятий.

В феврале 2001 года любитель астрономии из США Джон Э.Бортль создал световую шкалу для оценки светового загрязнения неба и опубликовал её в журнале Sky&Telescope. Эта шкала состоит из девяти делений:

1. Абсолютно темное небо

При таком ночном небе на нём не только отчетливо виден Млечный Путь, но отдельные облака Млечного Пути отбрасывают ясные тени. Также в деталях виден и зодиакальной свет с противосиянием (отражение солнечного света от пылинок находящихся по другую сторону от линии Солнце-Земля). На небе невооруженным глазом видны звезды до 8 звездной величины, фоновая яркость неба составляет 22 звездных величины на квадратную угловую секунду.

2. Натуральное темное небо

При таком ночном небе на нем отлично виден Млечный Путь в деталях и зодиакальный свет вместе с противосиянием. Невооруженный глаз показывает звезды с видимой яркостью до 7.5 звездных величин, фоновая яркость неба близка к 21.5 звездной величине на квадратную угловую секунду.

3. Сельское небо

При таком небе зодиакальный свет и Млечный путь продолжает быть хорошо видимым с минимумом деталей. Невооруженный глаз показывает звезды до 7 звездной величины, фоновая яркость неба близка к 21 звездной величине на квадратную угловую секунду.

4. Небо переходной местности между деревнями и пригородами

При таком небе Млечный Путь и зодиакальный свет продолжает быть видимым с минимум деталей, но лишь частично – высоко над уровнем горизонта. Невооруженный глаз показывает звезды до 6.5 звездной величины, фоновая яркость неба близка к 21 звездной величине на квадратную угловую секунду.

5. Небо окрестностей городов

При таком небе, зодиакальный свет и Млечный Путь видны крайне редко, в идеальных погодных и сезонных условиях. Невооруженный глаз показывает звезды до 6 звездной величины, фоновая яркость неба близка к 20.5 звездной величине на квадратную угловую секунду.

6. Небо пригородов городов

При таком небе, зодиакальный свет не наблюдается ни при каких условиях, а Млечный путь с трудом просматривается только в зените. Невооруженный глаз показывает звезды до 5.5 звездной величины, фоновая яркость неба близка к 19 звездной величине на квадратную угловую секунду.

7. Небо переходной местности между пригородами и городами

На таком небе, ни при каких условиях не наблюдается ни зодиакальный свет, ни Млечный путь. Невооруженный глаз показывает звезды только до 5 звездной величины, фоновая яркость неба близка к 18 звездной величине на квадратную угловую секунду.

8. Городское небо

На таком небе невооруженным глазом можно заметить лишь несколько самых ярких рассеянных звездных скоплений. Невооруженный глаз показывает звезды только до 4.5 звездной величины, фоновая яркость неба меньше 18 звездных величин на квадратную угловую секунду.

9. Небо центральной части городов

На подобном небе из звездных скоплений можно увидеть лишь Плеяды. Невооруженный глаз в лучшем случае показывает звезды до 4 звездной величины.

Световое загрязнение от жилых, индустриальных, транспортных и других объектов экономики современной человеческой цивилизации приводит к необходимости создания крупнейших астрономических обсерваторий в высокогорных районах, которые максимально отдалены от объектов экономики человеческой цивилизации. В этих местах соблюдаются специальные правила по ограничению уличного освещения, минимальному движению транспорта ночью, строительству жилых домов и транспортной инфраструктуры. Похожие правила действуют в специальных охранных зонах старейших обсерваторий, которые расположены вблизи крупных городов. К примеру, в 1945 году в радиусе 3 км вокруг Пулковской обсерватории вблизи Санкт-Петербурга была организована защитная парковая зона, в которой было запрещено крупное жилищное или промышленное производство. В последние годы участились попытки организации строительства жилых зданий в этой защитной зоне в связи с высокой стоимостью земли вблизи одного из крупнейших мегаполисов России. Похожая ситуация наблюдается вокруг астрономических обсерваторий в Крыму, которые находятся в регионе крайне привлекательном для туризма.

На изображении от NASA хорошо видно, что наиболее сильно освещены районы Западной Европы, восточной части континентальной части США, Японии, прибрежной части Китая, Ближнего Востока, Индонезии, Индии, южного побережья Бразилии. С другой стороны минимальное количество искусственного света характерно для полярных областей (особенно Антарктиды и Гренландии), районов Мирового океана, бассейнов тропических рек Амазонка и Конго, высокогорного Тибетского плато, пустынных районов северной Африки, центральной части Австралии, северных районов Сибири и Дальнего Востока.

В июне 2016 года в журнале Science было опубликовано подробное исследование по теме светового загрязнения различных регионов нашей планеты (“The new world atlas of artificial night sky brightness“). Исследование показало, что более 80% жителей планеты и более 99% жителей США и Европы живут в условиях сильного светового загрязнения. Больше трети жителей планеты лишены возможности наблюдать Млечный Путь, среди них 60% европейцев и почти 80% североамериканцев. Экстремальное световое загрязнение характерно для 23% земной поверхности между 75 градусами северной широты и 60 градусами южной широты, а также для 88% поверхности Европы и почти половины поверхности США. Кроме того в исследование отмечается, что энергосберегающие технологии по переводу уличного освещения с ламп накаливания на светодиодные лампы приведет к росту светового загрязнения примерно в 2.5 раза. Это связано с тем, что максимум светового излучения светодиодных ламп с эффективной температурой в 4 тысячи Кельвинов приходится на синие лучи, где сетчатка человеческого глаза обладает максимальной светочувствительностью.

Согласно исследованию максимальное световое загрязнение наблюдается в дельте Нила в районе Каира. Это обусловлено чрезвычайно высокой плотностью населения египетского мегаполиса: 20 миллионов жителей Каира живут на площади в половину тысячи квадратных километров. Это означает среднюю плотность населения в 40 тысяч человек на квадратный километр, что примерно в 10 раз больше средней плотности населения в Москве. В некоторых районах Каира средняя плотность населения превышает 100 тысяч человек на квадратный километр. Другие области с максимальной засветкой находятся в областях городских агломераций Бонн-Дортмунд (вблизи границы между Германией, Бельгией и Нидерландами), на Паданской равнине в северной Италии, между городами США Бостон и Вашингтон, вокруг английских городов Лондон, Ливерпуль и Лидс, а также в районе азиатских мегаполисов Пекин и Гонконг. Для жителей Парижа необходимо проехать как минимум 900 км до Корсики, центральной Шотландии или провинции Куэнка в Испании, чтобы увидеть  темное небо (уровень светового загрязнения меньше 8% от естественного освещения). А чтобы жителю Швейцарии увидеть чрезвычайно темное небо (уровень светового загрязнения меньше 1% от естественного освещения), то ему придется преодолеть уже более 1360 км до северо-западной части Шотландии, Алжира или Украины.

Максимальная степень отсутствия темного неба характерна для 100% территории Сингапура, 98% территории Кувейта, 93% Объединенных Арабских Эмиратов (ОАЭ), 83% Саудовской Аравии, 66% Южной Кореи, 61% Израиля, 58% Аргентины, 53% Ливии и 50% Тринидад и Тобаго. Возможность наблюдать Млечный Путь отсутствует у всех жителей небольших государств Сингапур, Сан-Марино, Кувейт, Катар и Мальта, а также у 99%, 98% и 97% жителей ОАЭ, Израиля и Египта соответственно. Странами с наибольшей долей территории, где отсутствует возможность наблюдать Млечный Путь, являются Сингапур и Сан-Марино (по 100%), Мальта (89%), Западный берег (61%), Катар (55%), Бельгия и Кувейт (по 51%), Тринидад и Тобаго, Нидерланды (по 43%) и Израиль (42%).

С другой стороны минимальным световым загрязнением отличаются Гренландия (лишь 0.12% её территории обладает засвеченным небом), Центральноафриканская Республика (ЦАР) (0.29%), тихоокеанская территория Ниуэ (0.45%),  Сомали (1.2%) и Мавритания (1.4%).

Несмотря на продолжающийся рост мировой экономики вместе с увеличением энергопотребления наблюдается и рост астрономической образованности населения. Ярким примером этого стала ежегодная международная акция “Час Земли” по выключению света большинством населения в последнюю субботу марта. Первоначально эта акция была задумана Всемирным фондом дикой природы (WWF), как попытка популяризации энергосбережения и снижения выбросов парниковых газов (борьба с глобальным потепление). Однако вместе с  тем приобрел популярность и астрономический аспект акции – стремление сделать небо мегаполисов более приспособленным для любительских наблюдений хотя бы на непродолжительное время. Впервые акция была осуществлена в Австралии в 2007 году, а уже в  следующем году она получила распространение во всём мире.  С каждым годом в акции принимает всё большее число участников. Если в 2007 году в акции участвовало 400 городов 35 стран мира, то в 2017 году участвовали уже более 7 тысяч городов 187 стран мира.

Вместе с тем можно отметить минусы акции, которые заключаются в повышенном риске аварий в энергосистемах мира по причине резкого одновременного выключения и включения огромного количества электроприборов. Кроме того статистика говорит о сильной корреляции отсутствия уличного освещения с ростом травматизма, уличной преступности и другими чрезвычайными происшествиями.

Почему не видно звезд на снимках с МКС?

На снимке хорошо видны огни Москвы, зеленоватое  свечение полярного сияния на горизонте, и отсутствие звезд на небе. Огромная разница между яркостью Солнца и даже наиболее яркими звездами приводит к невозможности наблюдения звезд не только на дневном небе с поверхности Земли, но и из космоса. Этот факт хорошо показывает, насколько велика роль “светового загрязнения” от Солнца по сравнению с влиянием земной атмосферы на астрономические наблюдения. Тем не менее, факт отсутствия звезд на снимках неба при пилотируемых полетах к Луне стал одним из ключевых “доказательств” конспирологической теории об отсутствии полетов астронавтов NASA на Луну.

Почему не видно звезд на снимках Луны?

Если разница между видимой светимостью Солнца и ярчайшей звезды – Сириус на земном небе составляет около 25 звездных величин или 10 миллиардов раз, то разница между видимой светимостью полной Луны и яркостью Сириуса уменьшается до 11 звездных величин или примерно в  10 тысяч раз.

В связи с этим наличие полной Луны не приводит к исчезновению звезд на всём ночном небе, а лишь затрудняет их видимость вблизи лунного диска. Тем не менее, одним из первых способов измерения диаметра звезд стало измерение длительности покрытия лунным диском ярких звезд зодиакальных созвездий. Естественно такие наблюдения стремятся проводить при минимальной фазе Луны. Похожая проблема обнаружения тусклых источников вблизи яркого источника света существует при попытках сфотографировать планеты у близких звезд (видимая яркость аналога Юпитера у близких звезд за счет отраженного света составляет примерно 24 звездных величин, а у аналога Земли лишь около 30 звездных величин). В связи с этим пока астрономам удается сфотографировать лишь молодые массивные планеты при наблюдениях в инфракрасном диапазоне: молодые планеты сильно разогреты после процесса планетообразования. Поэтому, чтобы научиться обнаруживать экзопланеты у близких звезд, для космических телескопов разрабатываются две технологии: коронография и нуль-интерферометрия. По первой из технологий яркий источник закрывается затменнным диском (искусственное затмение), по второй технологии свет яркого источника “обнуляется” с помощью специальных методик интерференции волн. Ярким примером первой технологии стала солнечная обсерватория SOHO, которая с 1995 года из первой точки либрации занимается мониторингом солнечной активности. На снимках 17-градусной коронографической камеры этой космической обсерватории видны звезды до 6 звездной величины (разница в 30 звездных величин или в триллион раз).