Почему звёздное небо черное?

Наверняка, каждый из нас хоть раз в жизни, глядя на безоблачное ночное небо, полное звезд, задавался вопросом - а почему оно черное? Разве во Вселенной так мало звезд, что свет от них не может полностью перекрыть черноту небосвода?

Несмотря на то, что подробное математическое рассмотрение этого вопроса было дано ещё У. Томсоном (лордом Кельвином) в 1901 г., во второй половине 20-го века 70% учебников по астрономии давали неверный ответ на этот вопрос. Остальные 30% от ответа воздерживались.

Почему же такой "детский" вопрос вызывал столько трудностей у астрономов и нашел подтвержденный ответ только в конце XX века?

14 фото + 2 видео

Многие поколения философов и астрономов приходили в замешательство от факта черноты неба. - Томас Диггес, Отто фон Герике, Галилео Галилей, Роберт Гук, Бернар де Фонтенель, Христиан Гюйгенс и др. так или иначе задавались и ломали себе голову над этим вопросом. За сотни лет было предложено множество неверных объяснений.
Иоганн Кеплер, раздосадованный неразрешимостью загадки, пришел к незамысловатому выводу: Вселенная конечна, находится в какой-то оболочке и звездный свет лишь от ограниченного количества звезд достигает наших глаз.

Впервые как-то внятно, с привлечением математики, формулирует эту проблему английский астроном Эдмунд Галлей в 1721 г. - Он представляет на заседании Королевского общества статью «О бесконечности сферы неподвижных звезд».
Ньютон, все это время подозрительно отмалчивавшийся, председательствовал на заседаниях Королевского общества во время выступлений Галлея. Однако его реакция осталась неизвестной.
Возможно, пожилой Ньютон просто проспал выступления своего друга, что, судя по воспоминаниям современников, с ним нередко случалось на разных заседаниях.

В 1744 году первый корректный математический анализ парадокса делает швейцарец Жан де Шезо.
Решение Шезо, в принципе не отличается от предложенного в 1823 году (спустя 79 лет) немецким астрономом-любителем Генрихом Ольберсом. Именно в честь Г. Ольберса, мучившегося над ним уже в XIX веке, этот, казалось бы, нехитрый и наивный вопрос получает официальное название фотометрического парадокса Ольберса.

Формулируется он достаточно просто: если Вселенная бесконечна, однородна и стационарна (а в XVIII-XIX веках астрономы в этом не сомневались), то в небе, в каком направлении ни посмотри, рано или поздно окажется звезда.
То есть, всё небо должно быть сплошным образом заполнено яркими светящимися точками звезд.

Фотометрический парадокс в статичной и бесконечной Вселенной

Неверные или, скажем так, лишь в известной степени верные, решения
Из всего множества неверных решений остановимся на двух самых, казалось бы, логичных:

1. Облака космической пыли и газа экранируют свет далёких звёзд
Именно такой ответ в 1823 году дал сам Г.Ольберс, когда впервые точно сформулировал парадокс.

Хотя спустя столетие межзвездное поглощение света действительно было обнаружено, оно не смогло разрешить загадку черного неба.
Уже тогда, в XIX веке, с появлением первого начала термодинамики в 1842 г. (частного случая закона сохранения энергии), это объяснение становится сомнительным. - Ведь в безграничной и вечной Вселенной, однородно заполненной бесконечным количеством звезд, сами пылинки нагрелись бы до температуры звездной поверхности и светились бы как звезды.
Таким образом, даже экранирующие звездный свет пылевые облака должны были бы сиять во всем ночном небе.

Темная туманность "Угольный мешок" в созвездии Южного Креста, 480 св. лет от Земли.
Благодаря контрасту с окружающим его Млечным Путём, выглядит как провал куда-то. На самом деле вещество туманности просто поглощает и рассеивает свет звёзд, находящихся за ней. Но в безграничной и вечной Вселенной туманность должна была бы светиться.

2. Яркость звезд обратно пропорциональна квадрату расстояния до них
Иными словами, чем дальше находится звезда, тем слабее ее свет.
В принципе, верно. В доказательство достаточно взглянуть на Луну у нас под боком и галактику Андромеды в 2,5 млн. св. годах.
Если расположить их на одном расстоянии от наблюдателя, Андромеда будет ярче Луны в 1,91 секстиллион (1,91×10^21) раз. Однако, кто видел невооруженным глазом Андромеду? - Сядьте, житель глухого горноалтайского села. На самом деле, если знаешь куда смотреть, увидеть галактику можно, но выглядит она как крохотное туманное размытое пятнышко.

Забавное скомбинированное фото Луны и галактики Андромеды в одинаковом угловом масштабе. Снято на одном телескопе, но с разной выдержкой.
Размер на нашем небе: Луны - 0,5 угловых градуса, галактики Андромеды - 3,2° × 1,0°



Но это объяснение тоже не работает. Здесь упускается из виду один момент - чем дальше в лес, тем больше дров.
Убывающая интенсивность звездного света, которая обратно пропорциональна квадрату расстояния до звезды, компенсируется количеством звезд, которое прямо пропорционально квадрату расстояния.
То есть, чем дальше расположены звезды, тем более тусклыми они будут выглядеть, но при этом, - чем дальше мы устремляем взгляд, тем больше звезд нам попадается на луче зрения.

Ну вот яркий пример, - "Хаббл" охотился за белыми карликами в шаровом скоплении NGC 6752 (в 13 500 св. годах от нас). А за скоплением неожиданно обнаружилась небольшая тусклая галактика, названная Bedin 1. Расстояние до галактики - 30 млн. св. лет.
Bedin 1, возрастом 13 млрд. лет - из эпохи ранней Вселенной.

Намекнул, да что уж говорить, - прямым текстом озвучил решение в 1848 г. Эдгар Аллан По в своей поэме. - Перечитайте эпиграф этой статьи. Поэт, автор детективов, мистических произведений и любитель астрономии заметил, что эта мысль "слишком прекрасна, чтобы не содержать в себе Истину как неотъемлемую свою составляющую".

Однако, изданная тиражом в 500 экземпляров, "Эврика" на многие годы оказалась забытой и на развитие науки никакого влияния не оказала, а получила признание в основном у поэтов.

Если отвлечься от многословной метафизики «Эврики» и оставить только физические идеи, перед нами предстает стройная картина эволюционирующей динамической Вселенной.

Эдгар По, обладая астрономическими знаниями первой половины XIX века, выдвигает идею рождения Вселенной в процессе своеобразного «Большого взрыва» из исходного сверхкомпактного состояния! А также предполагает ее крупномасштабную однородность на больших расстояниях, существование других вселенных, силу отталкивания, существовавшую на определенной стадии развития Вселенной. – Все это звучит в наше время необычайно знакомо!
Кроме того, Эдгаром По было предложено и решение фотометрического парадокса.

Как Эдгар По смог высказать столь современно звучащие идеи? Сам По объясняет это тем, что он использовал не стандартные пути научного открытия – индукцию и дедукцию, - которые он назвал «узкими и кривыми тропинками – по одной ползти, по другой волочиться», а интуицию.
В этом с ним солидарен и Эйнштейн, полагавший, что к самым общим законам природы «ведет не логический путь, а только основанная на проникновении в суть опыта интуиция».

Эдгар Аллан По (1809-1849 гг.)

Решения И. Медлера и У. Томсона
Первыми профессиональными учеными, предложившими корректное решение фотометрического парадокса, были немецкий астроном Иоганн Медлер и Уильям Томсон (лорд Кельвин).

В XIX веке решение Медлера не привлекло особого внимания, хотя оно является, безусловно, верным. В 1861 г. Медлер пишет: Скорость света конечна; конечное время прошло от начала Творения до наших дней и мы, следовательно, можем наблюдать небесные тела только до расстояния, которое свет прошел в течение этого конечного времени… Вместо того, чтобы говорить, что свет с этих расстояний не дошел до нас, надо говорить, что он еще не дошел до нас».

Приведенные слова Медлера дают четкое решение фотометрического парадокса:
1. Вселенная имеет конечный возраст (но может быть пространственно-бесконечной);
2. Скорость света также конечна.
И, следовательно, начиная с определенного расстояния, равного произведению возраста Вселенной на скорость света, свет каких-либо более далеких источников до нас еще не дошел и поэтому ночное небо остается темным.

У. Томсон (Кельвин) в 1901 году предложил первое количественное решение парадокса:
Барон Кельвин осознает, что, глядя на ночное небо, мы видим его в прошлом, а не таким, каково оно сейчас, поскольку скорость света, хоть и гигантская по земным меркам (299 792 458 м/с), все же конечна, и свету отдаленных звезд необходимо время, чтобы достичь Земли.

По подсчетам Кельвина, для того чтобы ночное небо было белым, Вселенная должна бы растянуться на сотни триллионов световых лет. Но поскольку Вселенной не триллионы лет, небо будет только черным.

И хотя представления о Вселенной, ее размерах и возрасте в XIX - начале XX века отличались от нынешних представлений, Медлер и Томсон, даже исходя из неточных фактических данных, что называется, двигались в абсолютно верном направлении. Своими тезисами о конечности скорости света и возраста Вселенной, они устраняют сами предпосылки фотометрического парадокса. - В бесконечной, вечной Вселенной с бесконечной скоростью света невозможен парадокс Ольберса.

И. Медлер (1794 -1874 гг.) и У. Томсон (Кельвин) (1824 - 1907 гг.)

По большому счету, ночное небо перед нами - это гигантская, окружающая нас со всех сторон, машина времени. Чем дальше мы заглядываем в глубины космоса, смотря на всё более удалённые звёзды или галактики, тем более дальнюю во времени картину мы наблюдаем. Мы видим далёкое прошлое (вследствие конечности скорости света) и в конце концов доходим до времени, когда галактики, да и сами звезды ещё не существовали. Темнота, видимая между изображениями звезд и галактик, имеет возраст в миллиарды лет и она отсылает нас ко времени, когда во Вселенной рождались самые первые звезды и галактики.

Итак, для разрешения парадокса достаточно помнить о двух вещах: конечности скорости света и конечном возрасте Вселенной.

Подтвердились ли в наше время теории этих ученых, которые не знали ни точный возраст Вселенной, ни то, что существуют другие галактики, помимо нашей, ни о том, что наша Вселенная не статична, а расширяется? - Давайте заглянем в глубь веков с современными телескопами "Хаббл" и "Очень Большим Телескопом". - Это не путешествие в пространстве, - это путешествие во времени! В конце мы увидим эпоху, в которой начали формироваться первые галактики.



Диаграмма показывает относительную удаленность захватываемой области для Hubble Ultra Deep Field (HUDF) и предшествовавшего ему Hubble Deep Field (HDF).
Hubble Ultra Deep Field - область неба диаметром чуть больше 3 угловых минут в созвездии Печь.
Изображение получено в видимом и инфракрасном диапазонах при общей выдержке почти миллион секунд (11,3 суток).

А что говорят нам современные космологические представления?
Согласно современной модели Вселенной, она имеет вполне определенный возраст - 13,8 млрд. лет, а значит и соответствующий предел наблюдения. То есть, с момента рождения Вселенной никакой фотон не успел бы пройти расстояние большее, чем 13,8 млрд. световых лет.

13,4 млрд. лет - самое давнее время, в которое смог заглянуть телескоп "Хаббл" в 2010 г. UDFj-39546284 - самая дальняя галактика, которую смог обнаружить "Хаббл" в 13,4 св. годах от нас. То есть примерно через 380 миллионов лет после Большого взрыва.

На окружающем нас со всех сторон ночном небе и мы вглядываясь сквозь время в галактику UDFj-39546284, и наблюдатель из этой галактики, смотря на водородное облако на месте нашей Земли, фактически видят "раннее детство" и дальнейшую эволюцию Вселенной. За удалёнными галактиками во всех направлениях луча зрения перед нами предстает эпоха рекомбинации водорода - 379 000 лет после Большого взрыва. (За ней - только непрозрачная плазма.)

Когда Вселенная охладилась до 3 000 К, замедлившиеся электроны получили возможность соединяться с замедлившимися протонами, образуя атомы водорода и гелия. Фотоны перестали рассеиваться на заряженных частицах и теперь могли свободно перемещаться в пространстве, практически не взаимодействуя с веществом. Темперетура Вселенной, достигнув 3 000 К позволила разделиться материи и излучению.

Этот момент, 379 тыс. лет после Большого взрыва, соответствует так называемой поверхности последнего рассеяния. Это самый удалённый объект, который можно наблюдать в электромагнитном спектре. Самые древние фотоны, тепловое излучение той эпохи, мы можем непосредственно регистрировать в виде, так называемого реликтового излучения.

Мы ещё к нему вернемся. Ибо именно реликтовое излучение, а не чернота, видимая лишь нашим человеческим зрением, заполняет пустоту космоса.

UDFj-39546284 - компактная галактика, состоящая из голубых звёзд, которые существовали 13,4 млрд. лет назад.

Современная космологическая теория дает нам ещё один фактор, разрешающий загадку фотометрического парадокса. - Это расширяющаяся Вселенная.

В 1929 г. Эдвин Хаббл делает открытие, которое привело к представлению о том, что Вселенная не статична, а однородно расширяется. (А в статичной Вселенной, напомню, по закону сохранения энергии нет места фотометрическому парадоксу. - Все небо и облака пыли будет светиться.)

Исходя из измерений расстояний до ближайших галактик, Хаббл установил, что галактики удаляются от нас, и чем дальше расположена галактика, тем быстрее она убегает.
Закон Хаббла - это фундаментальный космологический закон описывающий расширение Вселенной. Он имеет вид:



Постоянная Хаббла здесь ~ 68 (км/с)/Мегапарсек означает, что две галактики, разделённые расстоянием в 1 миллион парсек (3,2 миллиона световых лет), в среднем разлетаются со скоростью около 68 км/с.

Таким образом, представление о статической картине Вселенной, где все объекты как бы застыли на своих местах, сменило представление картины Вселенной, объекты которой друг от друга разбегаются, и расстояния между ними непрерывно увеличиваются.

Закон Хаббла ещё называют космологическим красным смещением.
Именно красным смещением в линиях спектра, вследствие большой скорости разбегания иногда пытаются в полной мере объяснить парадокс Олберса. Мол, большинство галактик имеют настолько большие смещения в ИК- и более дальние диапазоны, что практически не наблюдаемы.

В этом есть определенный смысл. Во-первых, - скорость разбегания сильно влияет на количество света, идущего от галактики к Земле. Каждый последующий фотон (квант света), излучаемый звездой в галактике, должен дольше двигаться к Земле, чем квант, испущенный в предыдущий момент времени. Так что за один и тот же момент времени наблюдатель на Земле воспримет меньшее число квантов, чем в случае, если бы галактика все время находилась на одном месте (случай статической Вселенной).

Кроме эффекта уменьшения числа квантов, приходящих на Землю в единицу времени, излучаемые кванты уменьшают свою частоту (увеличивают длину волны) из-за:

1. Эффекта Доплера, вследствие собственного движения галактик, на близких расстояниях.
(эффект Доплера - это всем известное изменение высоты звука от движущегося автомобиля. При приблежении - повышается, при удалении - понижается);
2. Космологического красного смещения, связанного с расширением самого пространства согласно ОТО (Общей Теории Относительности), преобладающего на дальних расстояниях.
(при космологическом красном смещении волновой пакет растягивает само расширяющееся пространство, увеличивая его длину волны и смещая его к красному концу спектра).
3. Гравитационного красного смещения, связанного с «покраснением» фотонов, удаляющихся от массивных объектов (согласно ОТО).

Таким образом, свет от удаляющихся галактик, из видимого диапазона спектра "уезжает" в длинноволновую область - в невидимый инфракрасный и микроволновый диапазоны.

Но в нашей Вселенной роль красных смещений в формировании темного ночного неба не столь велика.
Подробные расчеты яркости ночного неба для разных моделей Вселенной показали, что расширение, действительно, уменьшает яркость фона, но не слишком сильно. При любом разумном выборе космологических параметров падение яркости составляет лишь примерно 40 %от значения для стационарной, не расширяющейся Вселенной.

Красное смещение: чем дальше удаляющаяся от нас галактика, тем в более длинноволновую область уходят линии спектра

Ещё одним фактором, способствующим черноте неба, является исчезание галактик за космологическим горизонтом.
Галактики, находящиеся на расстоянии радиуса Хаббла R=c/Hо ≈ 13,8 млрд. св. лет удаляются от нас со скоростью, равной скорости света, поэтому их излучение ослаблено до нуля, а излучение более далеких галактик до нас не доходит вообще. - Они удаляются от нас со скоростью большей, чем скорость света.

(По величине красного смещения нетрудно посчитать, что та же галактика UDFj-39546284 в 13, 4 млрд. св. годах удаляется от нас со скоростью 296 415 км/с.)

Получается, можно заявить о том, что наблюдаемая Вселенная ограничена от наблюдателя шарообразной областью радиусом 13,8 млрд. световых лет. Однако, это не совсем так. Это всего лишь видимый размер. Не стоит забывать и о расширении пространства Вселенной. Пока фотон достигнет наблюдателя, объект, который его испустил, будет от нас уже в 45,7 миллиардах св. лет. Этот размер является горизонтом частиц, он и является реальной границей наблюдаемой Вселенной.

Вследствие того, что Вселенная расширяется, да ещё и с ускорением, за космологический горизонт будет заваливаться все большее количество галактик, и в о-очень отдаленном будущем мы рискуем увидеть абсолютно черное небо.

Hubble Extreme Deep Field (2012 г.) - изображение небольшого участка космоса в центре поля HUDF, показывающее галактики, существовавшие 13,35 млрд. лет назад. На настоящий момент это самое глубокое астрономическое изображением в видимом и инфракрасном диапазонах. Всего 450 млн. св. лет до видимого горизонта частиц.
Получено с выдержкой 2 миллиона секунд.

Участок Hubble Extreme Deep Field на небе в одинаковом угловом масштабе с Луной

Но вернемся к реликтовому излучению.
В 1948 г. выходит работа Георгия Гамова о «горячей Вселенной», построенная на теории расширяющейся Вселенной Александра Фридмана. По А. Фридману, вначале был взрыв. Он произошёл одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной — Солнце, звёзды, галактики и планеты.

Другой ученый - Фред Хойл, был противником этой теории нелепого большого взрыва и с таким энтузиазмом опровергал ее, что придуманный им термин "Большой взрыв" остается в науке и по сей день.

(Тут надо сказать, что все эти открытия в космологии приводятся не потому, что ученые все это время придумывали все новые решения парадокса Ольберса. Просто теория Большого взрыва и расширяющейся Вселенной оказываются наилучшими объяснениями фотометрического парадокса.)

Далее, Гамов и его ученики предполагают, что после Большого взрыва должен остаться какой-то "отблеск", радиационная подпись. Гамов вычисляет исходную температуру взрыва, учитывает снижение температуры, которое было вызвано последующим расширением Вселенной, и получает температуру "послесвечения" около 3 К. - Гамов предсказывает реликтовое космическое микроволновое фоновое излучение.

И реликтовое излучение было открыто в 1965 г. Правда, случайно. - А. Пензиасом и Р. Вильсоном (они не были радиоастрономами) при испытании вполне "земного" радиометра для спутниковой связи. В процессе испытания прибора, они обнаружили какой-то избыточный "шум", мощность которого не зависила от направления и времени суток. Внимательно исследовав радиометр чуть ли не на предмет влияния птичьего помета, инженеры убедились, что шум обусловлен не неисправностью прибора, а неизвестным космическим излучением.

Пензиас и Вильсон направили статью об открытии нового излучения в журнал. За эту работу в 1978 г. они удостоились Нобелевской премии.

Антенна с помощью которой Пензиас и Уилсон открыли реликтовое излучение

Реликтовое излучение - это древнее тепловое микроволновое излучение температурой 2,72 К, равномерно заполняющее всю Вселенную. Существование реликтового излучения (как и сама чернота неба, видимая человеческим глазом) - является одним из главных подтверждений теории Большого взрыва.

И если бы человек обладал микроволновым зрением, его взору предстало бы отнюдь не черное звездное небо! Во всех направлениях, куда бы человек ни обратил свой взор, он увидел бы древнее реликтовое излучение, порожденное самим Большим взрывом.
Возможно небо представилось бы нам тогда таким:

Карта Нашей Вселенной в микроволновом диапазоне от космического телескопа Планка.
Разными цветами показаны крошечные колебания температуры реликтового излучения.

Всё!

ОЛЕД экран там, над нами, а черное, чтоп энергии поменьше хавало... Фсе ппросто!

Это сообщение отредактировал Andygoo - 12.02.2019 - 14:04

Если какое-либо обстоятельство может помешать наблюдениям, оно обязательно помешает.

Эх, еслиб была какая-нибудь возможность заглянуть за реликтовое излучение, то есть увидеть в принципе, как оно все началось...

Мне кажется нас ограничивают специально, хотя я не верю в бг.

причем тут бг, всё матрица!

Дохуя ты сбоев в матрице видел?)

Размещено через приложение ЯПлакалъ

Когда смотрю в ночное небо, находясь вдали от цивилизации, испытываю чувство, которое до сих пор не могу объяснить. Это и тоска и радость, перемешанные таким странным образом....

Это сообщение отредактировал cobakalist - 12.02.2019 - 14:25

На самом деле вы, в биорезервуаре, в глубоком сне и ваш звездолет, уже 13 тысяч лет летит хуй знает куда, к Цели! А проявление во снах непонятной тревоги, при взгляде на безмерные просторы космоса, игра подсознания!

Мозг просто осознает,что корабль движется в "ПЕЧЬ"


А если серьезно нехуй лезть туда,где мы просто амебы.
Представляете амебу,которая будет тебе что то втирать,о сути бытия.

Это сообщение отредактировал Todimudi - 12.02.2019 - 14:30

Если в звиздолёте есть звизда еще, то не все так фигово будет после того как проснуся

Это сообщение отредактировал cobakalist - 12.02.2019 - 14:31

Когда впервые (в школе) заинтересовался астрономией тоже встал вопрос почему небо не светлое, но когда узнал что вселенная расширяется понял что на небе светят только те звезды что летят вместе с нами примерно в одном направлении.
Мне казалось (и счас кажется) это очевидным и логичным объяснением.

Никакое небо не черное. Черное оно только для человеческого глаза, у которого не хватает чувствительности увидеть звезды, находящиеся в этой черноте. Телескоп видит много дальше, но 4.5 миллиарда световых лет предел и для него. А если заглянуть дальше, скажем на несколько триллионов световых лет, то на небе останутся только черные пятна. И в идеале, при светочувствительности равной бесконечности, мы увидим идеально яркое небо.