Почему небо черное

Замечали ли вы как иногда впадает в ступор человек, которому задали простой вопрос из его сферы деятельности? Конечно, это может быть связано с отсутствием знаний у данного человека. Однако часто бывает и так, что простой, казалось бы, вопрос, на самом деле, требует наличие большого объема знаний, которые дают нетривиальный ответ. Один из таких вопросов — «Почему ночью небо черное?» задается людьми уже на протяжении нескольких сотен лет. И, конечно же, нас не удовлетворит ответ «потому что ночью темно». Так что давайте разбираться.

История исследований

Первым человеком, который всерьез заинтересовался данным вопросом, был английский астроном Томас Диггес, живший в далеком 16-м веке.  В 1576-м году Диггес опубликовал свой труд под названием  «Совершенное описание небесных сфер в соответствии с древней доктриной пифагорейцев, возрождённой Коперником, подкреплённое геометрическими демонстрациями». Томас Диггес заметно развил и видоизменил идею Николая Коперника о гелиоцентрической системе мира. Важным отличием его работы является предположение, что наблюдаемые на небосводе звезды располагаются не на одной сфере, то есть находятся на разном расстоянии от Земли, вплоть до бесконечности.

Предположение о бесконечно глубокой небесной сфере послужило Диггенсу аргументом в пользу того, что небесная сфера не вращается, а вращается лишь Земля. Однако, еще одно немаловажное следствие из этого предположения некое подобие фотометрического парадокса (о нем поговорим несколько позже), который по его версии состоял в том, что бесконечно удаленные звезды просто не видно, в силу своей удаленности. А если нет источника света на небе, то в этом месте мы будем видеть лишь тьму. Такое, казалось бы, простое объяснение, дало начало будущим исследователям этого вопроса.

В 18-м веке швейцарский астроном Жан-Филипп Луи де Шезо сформулировал так называемый «фотометрический парадокс«, который позднее набрал большую популярность в научных кругах благодаря трудам немецкого астронома и физика Генриха Ольберса, в честь которого также часто называют данное явление. Согласно этому парадоксу, в бесконечной неподвижной Вселенной, которая всюду усеяна звездами, взгляд наблюдателя в любую точку небосвода должен приводить к какой-нибудь звезде. Также как если бы мы находились в большом лесу, повсюду были бы видны только деревья, неважно, далеко или близко, так мы должны видеть свет звезды в любой точке небосвода.

Хотя исходящий от звезды поток энергии излучения должен уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния до нее, также уменьшается и телесный угол (угловая площадь, которую занимает звезда на небе) обратно пропорционально квадрату расстояния до звезды. Как известно, поверхностная яркость звезды равняется отношению потока энергии излучения к телесному углу звезды, а значит — не зависит от расстояния. Если считать поверхностную яркость Солнца, которое является типичной звездой во Вселенной, — типичной яркостью большинства звезд, то любая точка небосвода должна светиться таким же образом, как светится и наша звезда. Очевидно, мы наблюдаем совсем иную картину.

Решение парадокса Ольберса

В попытке разрешить упомянутый парадокс, Ольберс и Шезо предположили, что свет далеких звезд экранируется благодаря облакам космической пыли, расположенным между Землей и звездами. В 1848-м году английский математик и астроном Джон Гершель опроверг это объяснение следующим утверждением: благодаря закону сохранения энергии, в изотропной и однородной Вселенной, такие облака пыли должны самостоятельно нагреваться и излучать свет, энергия которого близка к энергии излучения звезд.

Примечательно, что впервые верное разрешение этого парадокса было опубликовано не в научной работе, а в поэме американского писателя и поэта — Эдгара Аллана По под названием «Эврика» в 1848-м году. Позже, в 1861-м году, этот ответ был представлен научному сообществу немецким астрономом Тоганном Медлером. Подспорьем для этого решения послужили два предположения (сегодня — факта): конечность возраста Вселенной, а также конечность скорости света. В силу наличия ограниченного возраста Вселенной — 13,81 миллиарда лет, время, за которое свет от самых далеких космических тел доходит до нас, не превышает эту цифру.

Данный аргумент лишает парадокс основной предпосылки, согласно которой наблюдаемые звезды находятся на сколь угодно больших расстояниях. Если за этим пределом наблюдаемой Вселенной и существуют какие-то звезды, то их излучение просто не успело бы дойти до Земли. Из этого следует, что небосвод не обязан полностью покрываться свечением далеких звезд.

Расширение Вселенной

В 1848-м году фрунцзский физик Ипполит Физо обнаружил некий сдвиг спектральных линий в исследуемых им спектрах небесных тел, данное явление было названо красным смещением. Красное смещение наблюдается как нехарактерное для изучаемого космического тела свечение, спектр которого смещен в менее энергетическую красную сторону. Последовавшее объяснение основывалось на эффекте Доплера, согласно которому длина волны, а значит и цвет, излучения удаляющегося объекта увеличивается, а его энергия — уменьшается.

В это же время развивалась теория, согласно которой на длину волны света также влияет и гравитационное поле. С приходом общей теории относительности Эйнштейна, гравитационное красное смещение стало общепринятой теорией. Иными словами, электромагнитное излучение, испускаемое источником в области сильного гравитационного поля (массивной звезды или черной дыры) испытывает красное смещение. Существует и обратный эффект — «синее смещение» для источников излучения, расположенных в слабом гравитационном поле.

В 1922-1924-м годах, основываясь на расчетах Альберта Эйнштейна, российский и советский физик и математик Александр Фридман, создал модель, известную как нестационарная Вселенная, согласно которой Вселенная расширяется, а значит окружающие нас объекты постоянно удаляются. Исходя из упомянутых ранее работ, из-за продолжительного удаления от Земли окружающих ее различных источников электромагнитного излучения (даже целых галактик), это излучение теряет свою интенсивность в результате эффекта Доплера. Это также дополняется влиянием гравитационного красного смещения. Стоит отметить, что красное смещение вносит небольшой вклад в потерю яркости излучения дальних объектов, и темное небо объясняется.

Известно, что небосвод будет становиться со временем все темнее, что вытекает из ускоренного расширения Вселенной. Представим объект, который расположен на краю наблюдаемой Вселенной, который, как нам кажется, расположен в 13,81 миллиардах световых лет от нас, в момент своего зарождения выпустил свои первые фотоны света. Как упоминалось ранее – этому излучению потребуется минимум 13,81 миллиард лет, чтобы достичь Земли. Однако, за это время данное тело переместилось от нас далее, в силу ускоренного расширения Вселенной. В момент, когда «на краю Вселенной» расширение достигнет скорости света, возникнет некий горизонт событий, который уже не пропустит к нам излучение от этих объектов,  и оно будет бесконечно к нам идти. Постепенно этот горизонт будет приближаться, по мере ускорения расширения Вселенной.

Открытие группы Кристофера Конселиса

За почти 30 лет работы космический телескоп «Хаббл» послужил великолепным инструментом для астрономов, и помог им значительно расширить наше представление о Вселенной. Так в 2016-м году был завершен 15-летний подсчет галактик в наблюдаемой Вселенной на основе данных этого телескопа. Если ранее ученые полагали о наличии около 100-200 миллиардов галактик, то теперь данные указывают на число галактик большее в 10-20 раз, нежели по предыдущим результатам наблюдения.

Группа исследователей, возглавляемая Кристофером Конселисом из Ноттингемского университета, создала трехмерную модель, на основе упомянутых данных, которая дала возможность подсчитать число галактик во Вселенной на разных этапах ее развития. Как сказал сам Кристофер Конселис: «Более 90 процентов галактик, находящихся в области наблюдаемой Вселенной, имеют довольно слабое свечение, а потому будут доступны для наблюдения лишь с новым поколением телескопов». По словам Конселиса в наблюдаемой Вселенной существует более двух триллионов галактик.

Таким образом, имея ввиду наличие такого огромного количества светящихся объектов во Вселенной, перед нами снова возникает все тот же вопрос о черном небе ночью. Решение этой проблемы, по словам Конселиса, кроется все в тех же потерях света, приходящего от дальних объектов. В силу своего далекого расположения, на пути излучения этих галактик возникает множество препятствий, вроде других облаков космической пыли и других объектов. Сегодня мощнейшие телескопы позволяют нам заглянуть на расстояние около 10 миллиардов световых лет, что заметно ограничивает число источников электромагнитного излучения. Также надо учитывать, что наблюдая за объектами на таком большом расстоянии — мы видим их состояние в то далекое время, когда они, быть может, только начинали образовываться.

Согласно книге «Ночная тьма: загадка Вселенной» астронома Эдварда Гаррисона из Массачусетского университета, хоть в видимой области Вселенной и существует около 700 секстиллионов звезд (7 * 10^23), этого числа явно недостаточно, чтобы покрыть каждую точку наблюдаемого нами небосвода.

Подведем итоги

В заключение можно сказать, что вопрос «почему ночью небо черное?» остается открытым. Мы знаем, что в уменьшение мощности излучения далеких объектов привносит вклад расширение Вселенной, и вытекающее из этого красное смещение, а также небольшой вклад дают объекты-преграды, вроде космической пыли, на пути света далеких звезд. Также мы знаем, что в силу ограничения возраста Вселенной, мы можем наблюдать ограниченное число объектов, большая часть из которых недоступна человеческому глазу. Однако, на сегодня, не представляется возможным точно подсчитать, учитывая все упомянутые данные, действительно ли достаточно этих объяснений, чтобы разрешить парадокс Ольберса.