Фотометрический парадокс Ольберса: почему ночное небо тёмное
1) Суть парадокса:
Фотометрический парадокс Ольберса формулируется просто:
если Вселенная бесконечна по размерам, вечна по времени и в среднем равномерно заполнена звёздами, то ночное небо должно быть ярким, почти как поверхность Солнца.
Но в реальности небо ночью тёмное. Где «теряется» свет?
Парадокс называют «фотометрическим», потому что он связан именно с оценкой суммарной яркости (потока света), приходящего от всех источников.
2) Почему при «классических» допущениях небо должно быть ярким:
Рассмотрим идеализированную картину:
• Вселенная статична и не расширяется.
• Она бесконечна и существует вечно.
• Звёзды распределены примерно равномерно.
• Межзвёздная среда либо отсутствует, либо прозрачна.
Возьмём сферическую оболочку радиуса r и толщины dr.
• Число звёзд в оболочке растёт как объём: ∝ r² dr.
• Свет от каждой звезды ослабевает с расстоянием как 1/r².
Эти два фактора взаимно компенсируются: вклад каждой удалённой оболочки в общую яркость получается примерно одинаковым. Тогда при суммировании по всем расстояниям (до бесконечности) общая яркость должна расти без ограничений.
Интуитивная формулировка: в такой Вселенной в любом направлении взгляд рано или поздно должен упереться в поверхность звезды — значит, всё небо было бы «заполнено» звёздным светом.
3) История вопроса:
Идея, что при бесконечном числе звёзд небо должно быть светлым, обсуждалась задолго до Ольберса. Однако имя врача и астронома Генриха Вильгельма Ольберса (начало XIX века) закрепилось за парадоксом благодаря популярной постановке проблемы и попыткам объяснения.
4) Почему «пыль всё поглощает» — не окончательное объяснение:
Одно из ранних объяснений: свет далёких звёзд поглощается межзвёздной пылью, поэтому небо тёмное.
Проблема в том, что если пыль постоянно поглощает энергию, то она должна нагреваться и затем переизлучать её (в инфракрасном и других диапазонах). Со временем (в «вечной» Вселенной) пыль разогрелась бы так, что небо снова стало бы ярким — только, возможно, в другом спектре. Значит, одно лишь поглощение не решает парадокс в рамках классических допущений.
5) Современное решение: неверны исходные предпосылки:
Главная причина тёмного ночного неба в том, что реальная Вселенная не соответствует набору предпосылок «бесконечная, вечная, статичная, равномерная».
5.1. Вселенная имеет конечный возраст (и есть горизонты наблюдения):
Вселенная существует конечное время, и свет распространяется с конечной скоростью. Значит, мы видим не «всю бесконечность», а только область, откуда свет успел дойти до нас за время существования Вселенной — наблюдаемую Вселенную.
Иными словами: даже если звёзд и галактик очень много, не вся их энергия могла успеть накопиться в нашем небе.
5.2. Вселенная расширяется, и свет краснеет (космологическое красное смещение):
Расширение пространства растягивает длину волны фотонов: свет от далёких объектов испытывает красное смещение. Это важно по двум причинам:
1) Энергия каждого фотона уменьшается (он «краснеет»).
2) Поток фотонов во времени тоже «размазывается»: из-за расширения и эффектов времени прихода сигнал ослабевает сильнее, чем в статичной модели.
В результате вклад далёких источников в видимую яркость существенно уменьшается, а часть излучения уходит в инфракрасный и радиодиапазоны.
5.3. Звёзды не вечны, а источники света эволюционируют:
Звёзды рождаются и умирают. Было время, когда звёзд вовсе не существовало (ранняя Вселенная до появления первых звёзд). Это ещё один фактор, ограничивающий суммарный свет.
5.4. Распределение вещества не идеально равномерно:
Галактики и звёзды образуют структуры (скопления, нити, пустоты). Хотя на очень больших масштабах Вселенная близка к однородной, на практических масштабах это добавляет «неравномерности» и не приводит к непрерывному «звёздному ковру» на небе.
6) Что тогда мы видим вместо «яркого неба»: космический фон:
Важный факт: небо не абсолютно чёрное. Существует космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ) — остаток ранней горячей стадии Вселенной. Оно заполняет всё небо почти равномерно, но находится в микроволновом диапазоне (температура около 2,7 K), поэтому глазом не видно.
Кроме того, есть слабый инфракрасный и оптический фон от суммарного света галактик, но он на порядки слабее того, что требовал бы «классический» бесконечный статичный сценарий.
7) Итог:
Парадокс Ольберса показывает, что простая модель «бесконечная вечная статичная Вселенная со звёздами повсюду» противоречит наблюдениям. Ночное небо тёмное потому что:
• Вселенная имеет конечный возраст (и мы видим лишь ограниченный объём),
• она расширяется, из-за чего свет далёких объектов ослабевает и краснеет,
• звёзды и галактики эволюционируют, а светящиеся объекты существовали не всегда,
• часть излучения уходит в невидимые диапазоны, и мы наблюдаем его как фоновые излучения.