Вопрос, который звучит почти по-детски. Но за ним стоит одна из самых глубоких загадок астрономии. Загадка, которую не могли разгадать столетиями. Загадка, которая привела к перевороту в нашем понимании Вселенной.
Подумайте сами. В космосе — миллиарды триллионов звёзд. В одной только нашей галактике — от 100 до 400 миллиардов. А галактик — сотни миллиардов. И каждая звезда — это солнце, излучающее свет во всех направлениях.
Логика подсказывает: куда бы мы ни посмотрели, наш взгляд рано или поздно должен упереться в какую-нибудь звезду. Небо должно быть сплошным, ослепительно ярким. Каждая точка должна светиться.
Но мы поднимаем глаза — и видим черноту. Почему?
1. Парадокс Ольберса
В XIX веке немецкий астроном Генрих Вильгельм Ольберс сформулировал проблему, которая мучила астрономов задолго до него. Ее назвали парадоксом Ольберса.
Звучит он так:
Если Вселенная бесконечна во времени и пространстве, если она статична (не расширяется) и если звезды в ней распределены более-менее равномерно, то любое направление взгляда должно рано или поздно пересечься с какой-нибудь звездой. Даже если звезды далекие и кажутся тусклыми, их бесконечное количество должно создать бесконечную суммарную яркость. Ночь должна быть ослепительно яркой.
Но ночь темна. Значит, как минимум одно из предположений неверно.
Ольберс предложил свое объяснение: межзвездная пыль поглощает свет далеких звезд. Но и это решение оказалось неполным. Пыль, поглощая свет, нагревается и начинает сама излучать. В конце концов она разогрелась бы до температуры излучаемых звезд и тоже светилась бы. Мы бы видели свечение пыли.
Парадокс оставался нерешенным до XX века.
2. Вселенная не бесконечно стара
Ключ к разгадке принесла теория Большого взрыва. Вселенная имеет возраст. Примерно 13,8 миллиарда лет.
Это значит, что свет от самых далеких объектов просто не успел до нас добраться. Мы видим только те звезды и галактики, которые находятся в пределах сферы радиусом около 13,8 миллиардов световых лет. За этим пределом — космический горизонт. Свет от объектов за горизонтом еще в пути.
Но если Вселенная бесконечна в пространстве, за горизонтом может быть бесконечное количество звезд. Почему их свет не делает небо ярким?
Потому что они слишком далеко. И дело не только в расстоянии.
3. Красное смещение и растяжение света
Вселенная расширяется. Галактики удаляются друг от друга. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется.
Свет от далеких галактик смещается в красную сторону — длина его волны увеличивается. Это явление называется космологическим красным смещением.
Самые далекие галактики, которые мы можем видеть, удаляются от нас со скоростью, близкой к скорости света. Их излучение смещено в красную область настолько сильно, что видимый свет превращается в инфракрасное излучение. Глаз его не видит.
Если бы у нас были глаза, чувствительные к инфракрасному излучению, небо выглядело бы иначе. Но мы видим только узкую полоску спектра — от фиолетового до красного. А свет самых далеких объектов ушел из этой полоски.
А знаете ли вы? Реликтовое излучение — это самый далекий свет, который мы можем наблюдать. Он возник, когда Вселенной было 380 000 лет. Тогда он был видимым (желто-белым). Сегодня его температура — 2,7 Кельвина, и он смещен в микроволновый диапазон. Наш глаз его не видит. Но если бы мы могли видеть микроволны, все небо было бы равномерно ярким — примерно как сейчас выглядит реликтовое излучение на картах. Только небо было бы не черным, а светящимся.
4. Конечное число звезд
Еще один важный момент. Хотя Вселенная, возможно, бесконечна в пространстве, количество звезд в доступной нам части Вселенной конечно. Мы видим только те звезды, свет от которых успел до нас дойти за 13,8 миллиарда лет.
Сколько их? Около десяти миллиардов триллионов. Это огромное число. Но оно конечно.
Если бы все эти звезды были распределены равномерно, их суммарный свет все равно был бы очень слабым. Потому что подавляющее большинство звезд находится невероятно далеко. Их свет доходит до нас, но он настолько слаб, что глаза его не регистрируют. Телескопы видят — глаз нет.
5. Человеческий фактор
Здесь важно вспомнить, как работает зрение. Глаз — чувствительный, но не абсолютный инструмент. Чтобы мы увидели точку света, от нее должно прийти достаточное количество фотонов.
От далекой звезды фотоны приходят по одному — иногда один фотон в минуту, в час, в день. Глаз просто не накапливает их. Он требует определенной интенсивности, чтобы сработать.
Телескопы накапливают свет. Длинная выдержка — и на снимке появляются тысячи галактик, которые глаз не видит. Но глаз не может сделать выдержку. Он работает в реальном времени.
Поэтому черное небо — это еще и ограничение нашего биологического зрения.
6. Что увидел бы космонавт на Луне
На Луне нет атмосферы, которая рассеивает свет. Днем небо над Луной — черное, даже когда Солнце светит ярко. Но это не из-за парадокса Ольберса. Это потому, что на Луне нет воздуха, который рассеивал бы солнечный свет и делал небо голубым.
А ночью? На лунной ночи космонавт увидел бы то же, что и мы с Земли в безлунную ночь вдали от городов: яркие звезды, Млечный Путь, а между ними — черноту. Только звезды не мерцали бы (нет атмосферы).
Чернота осталась бы. Потому что расстояние до звезд — главная причина.
7. История вопроса
Парадоксом Ольберса загадку назвали в честь немецкого астронома, но он не был первым, кто ее сформулировал.
Иоганн Кеплер в XVII веке уже задавался этим вопросом. Он считал, что темнота ночного неба доказывает конечность Вселенной.
Эдгар Аллан По в 1848 году в поэме «Эврика» дал удивительно прозорливый ответ:
«Если бы не было конца звездным мирам, мы видели бы небо, равномерно покрытою поверхностью, подобной той, какую являет нам Млечный Путь, ибо не существовало бы ни одной точки, во всей этой бесконечной пустоте, где не находилось бы звезды. Но так как мы видим пробелы, то мы знаем, что есть границы, и эти границы удалены на такое расстояние, что свет оттуда еще не достиг нас».
По написал это за 80 лет до открытия расширения Вселенной и за 170 лет до измерения реликтового излучения. Он почти угадал.
8. А если бы космос был белым?
Представьте на минуту, что Вселенная была бы бесконечно старой и статичной. Небо было бы ослепительно ярким — примерно как поверхность Солнца. Потому что свет от бесконечного числа звезд создал бы температуру, равную температуре поверхности звезд.
В такой Вселенной не было бы ночи. Не было бы темноты. Не было бы, вероятно, и жизни, требующей стабильных температурных условий.
То, что мы видим черное небо, — это не случайность. Это прямое следствие того, что Вселенная имеет начало. Мы смотрим в черноту и видим свидетельство Большого взрыва. Видим конечность возраста Вселенной. Видим ее расширение.
Черное небо — это один из главных фактов космологии, записанный прямо на ночном небе. Нужно только уметь его прочитать.
Когда вы в следующий раз выйдете ночью и посмотрите на черное небо с россыпью звезд, помните: эта чернота не пустота. Это даль. Это время. Это история Вселенной. Свет от самых далеких звезд и галактик еще идет к нам. Он будет идти миллиарды лет. А пока мы видим черноту — и в этой черноте заключен ответ на один из самых древних вопросов человечества.