Dlaczego nocą niebo jest czarne?

800px-Night-sky-milky-way-galaxy-astrophotography_-_West_Virginia_-_ForestWander
http://www.ForestWander.com [CC BY-SA 3.0]

 

Nocne niebo powino być jasneEye-stars.svg

Zanim zastanowimy się dlaczego nocne niebo jest czarne w gwiezdne kropki, wyjaśnijmy sobie dlaczego nie powinno takie być. Jeśli wszechświat jest nieskończony i jednorodny (to znaczy, że gwiazdy rozłożone są w nim równomiernie) to gdziekolwiek nie spojrzymy, powinniśmy zobaczyć jakąś gwiazdę. Dowolny promień, poprowadzony z Ziemi w przestrzeń, powinien w końcu natrafić na powierzchnię jakiejś gwiazdy. Zatem nocne niebo powinno być całe w gwiazdach.

Im dalej tym ciemniej

Można wysunąć argument, że im gwiazdy są dalej tym mniej ich światła dociera do Ziemi i widzimy je jako ciemniejsze. Zatem część może być po prostu słabo widoczna, dając złudzenie ciemnego nieba. Jednak nie jest to wystarczające wytłumaczenie dla nocnych ciemności. Wyobraźmy sobie dwie sfery (powłoki podobne do skórki od pomarańczy, których środkiem jest Ziemia) o tej samej grubości: jedna z nich A1 o promieniu wewnętrznym równym milion lat świetlnych (R1),  druga A2 o promieniu wewnętrznym równym dwa miliony lat świetlnych (R2).

OLBERS.gif

Gwiazdy w sferze A2 położonej dwa razy dalej od sfery A1, na Ziemi będą rzeczywiście widoczne jako cztery razy ciemniejsze. Ale będzie ich też 4 razy więcej. Spójrzcie na wycinki nieba i porównajcie widoczny przez obserwatora fragment nieba numer 2 z fragmentem numer 4. Na wycinku numer 4 jest cztery razy więcej gwiazd niż na wycinku numer 2. Efekt „ściemniania” odległych gwiazd jest zniwelowany przez zwiększenie się ich liczby w takim samym kacie bryłowym.

Olbers'_Paradox.svg
„Olbers’ Paradox” by Htkym – 投稿者自身による作品. Licensed under CC

Zatem gdziekolwiek nie spojrzymy nocą w niebo, powinniśmy zobaczyć tyle samo światła. Nocne niebo powinno być całe rozświetlone! Jednak jak każdy z nas zauważył, wcale takie nie jest. Gdy spojrzymy nocą na niebo, wygląda ono jak na pierwszej ilustracji tego tekstu. Większość powierzchni nieboskłonu jest czarna.

Dlaczego jest ciemno?

Nasze początkowe rozumowanie opiera się na założeniu, że Wszechświat jest nieskończony i jednolity. Dziś wiemy jednak, że powstał on w wyniku Wielkiego Wybuchu, około 13.83 miliardów lat temu i stale się rozszerza. Zatem jego wiek nie jest nieskończony. Co więcej, ponieważ prędkość światła również nie jest nieskończenie wielka, do Ziemi dociera światło tylko ze skończonego obszaru Wszechświata.

Liczba gwiazd, które możemy zobaczyć z Ziemi również nie jest nieskończona. Co więcej gęstość gwiazd które widoczne są z Ziemi jest relatywnie niewielka. Zatem istnieje duże prawdopodobieństwo, że dowolny promień poprowadzony z Ziemi w przestrzeń (w granicy widzialnego Wszechświata) nie natrafi na żadną gwiazdę. Właśnie dlatego nocą widzimy czarne niebo rozświetlone gdzieniegdzie przez gwiazdy.

Paradoks Olbersa

Problem ciemności nocnego nieba i przedstawione powyżej rozumowanie znane jest nauce od dawna jako Paradoks Olbersa. Postulowane są też inne jego rozwiązania, niektóre negujące skończoność Wszechświata.

5 comments

  1. Macieju, warto przy okazji tych rozważań nadmienić jedną obserwacyjną implikację Wielkiego Wybuchu. Jeśli weźmiemy pod uwagę fakt, że światło jest falą elektromagnetyczną i rozważymy całe spektrum, to okazuje się, że niebo tak na prawdę nie jest czarne nocą ale świeci, i to całkiem mocno, tylko że nie w zakresie widzialnym a w zakresie mikrofalowym (maksimum przypada na fale o długości 1,1 mm). Tak zwane Kosmiczne Mikrofalowe Promieniowanie Tła (ang. CMBR – Cosmic Microwave Background Radiation) to właśnie pozostałość po epoce tuż po Wielkim Wybuchu kiedy Wszechświat był jeszcze młody i gorący. Ale z czasem, na skutek doplerowskiego poszerzenia fali elektromagnetycznej wywołanego ekspansją Wszechświata, to promieniowanie bardzo „ostygło”. Aktualnie CMBR ma temperaturę ok. 2.7K i dociera do nas z każdego kierunku na niebie. Jego odkrycie było pierwszym triumfalnym potwierdzeniem, że Wszechświat był kiedyś gorący i jednorodny jak przewiduje teoria Wielkiego Wybuchu i model Standardowy Kosmologii.

    1. >> Ale z czasem, na skutek doplerowskiego poszerzenia fali elektromagnetycznej wywołanego ekspansją Wszechświata,

      To jedynie skutek rozszerzania się przestrzeni przez którą biegnie fala elektromagnetyczna. Z efektem Dopplera nie ma to wiele wspólnego.

  2. Wielki wybuch to tylko teoria. Nie jest to pewnik. Powstanie materii, oraz wszystkiego co nas otacza (skomplikowanych systemów i organizmów)z chaotycznego wielkiego wybuchu jest bardzo mało prawdopodobne. To tak, jakby rozebrać na części pierwsze odrzutowiec, podrzucić wszystkie części do góry, a one spadając połączą się w funkcjonalny samolot. Wszechświat rozszerza się, ale tej akcji powinna też towarzyszyć reakcja, więc coś powinno się równolegle kurczyć. Wszechświat w którym żyjemy może być częścią większego wszechświata, a ten większego itd. do nieskończoności. Taki jest wzór podziału już od najmniejszych cząstek. Nasz wszechświat z całą swoją masą spełnia warunki osobliwości. Gdybyśmy mieli superlaser i zaświecili nim w przestrzeń kosmiczną, to nasz promień nigdy nie opuści wszechświata, gdyż masa w nim się znajdująca będzie powodowała nieustanne zaginanie tegoż promienia. To może tłumaczyć fakt, że w nocy niebo jest ciemne. Mieszkamy w czarnej dziurze i jest to udowodnione matematycznie

  3. Witam,
    to bardziej pytanie niż komentarz: Czy gwiazdy we wszechświecie są jedynymi obiektami emitującymi widzialne przez nas światło? Lub inaczej: Czy istnieją jeszcze jakieś inne obiekty emitujące światło czy to w formie światła widzialnego czy też w formie jakiegoś innego niedostrzegalnego gołym okiem promieniowania?

    Z góry dziękuję za odpowiedź,
    Pozdrawiam, Robert Nowik

    PS: Nie mogę nigdzie znaleźć odpowiedzi na w/w pytania, a potrzebuję jej od fachowca do pisania mojej pracy doktorskiej

    1. Bardzo ciekawe pytanie. Intuicja podpowiada mi, że w definicji gwiazdy jako obiektu astronomicznego jest emisja promieniowania elektromagnetycznego. Ponieważ jednak nie jestem specjalistą w dziedzinie astronomii zaproponuję zadanie pytania na innej stronie np: http://www.polskiastrobloger.pl/
      Maciej J

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Możesz użyć następujących tagów oraz atrybutów HTML-a: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

By submitting this form, you accept the Mollom privacy policy.