Банален въпрос, но защо в космоса е толкова тъмно?

Въпреки че космосът е пълен със звезди, той самият е тъмен. Но защо? Този на пръв поглед прост въпрос всъщност е толкова сложен, че дори е получил специално име – Парадоксът на Олберс. Преценете сами – астрономите смятат, че в наблюдаемата Вселена има около 200 милиарда трилиона звезди. Много от тях са толкова ярки, колкото нашето Слънце, но още повече звезди светят много по-ярко. Защо тогава космосът не е изпълнен с ослепителна светлина? Астрономите с право предполагат, че отговорът може да се крие в разстоянието – много от звездите, които наблюдаваме, са твърде далече от Земята. И колкото по-далече е една звезда, толкова по-малко ярка изглежда тя. Но това е само едната част от пъзела, на който през вековете са предлагани различни решения. Сега, с помощта на космическия телескоп „Джеймс Уеб“, изследователите предлагат ново решение на известния парадокс.

Парадоксът на Олберс

Парадоксът на Олберс е наречен на името на Хайнрих Вилхелм Олберс, немски астроном, който го популяризира през XIX век. Всъщност парадоксът е обсъждан за пръв път от по-ранни мислители, сред които Томас Дигс, Йохан Кеплер, Едмон Халей и Жан-Филип дьо Шез. Всички те се чудели защо нощното небе не е толкова ярко, колкото дневното, при положение че се предполага, че Вселената е безкрайна и пълна със звезди.

За да разберем парадокса на Олберс, нека да си представим една проста аналогия. Да предположим, че се намирате в затворена стая без прозорци или врати и в ръката си държите електрическа крушка. Ако я включите, стаята ще стане светла. Сега да предположим, че в другата си ръка имате друга електрическа крушка, която също включвате, и стаята става по-светла, защото има повече източници на светлина.

Така че, ако добавяте все повече и повече крушки в една стая, накрая тя ще стане толкова ярка, че ще е трудно да се види каквото и да било. Това е така, защото светлината от всички крушки запълва всеки ъгъл на стаята, така че просто няма повече място за тъмнина.

Сега нека приложим тази аналогия към нощното небе. Ако Вселената е безкрайна и пълна със звезди, тогава във всяка посока трябва да има звезда, независимо колко далеч са те. Светлината от тези звезди в крайна сметка трябва да достигне до нас, дори и да отнеме много време. Нощното небе би трябвало да е толкова ярко, колкото дневното, или дори по-ярко. Но защо в действителност това не е така?

В търсене на отговора

Отговорът може да ви се стори очевиден: звездите са твърде далеч, а освен това са твърде слаби, за да се наблюдават с просто око. Само че това е незадоволително обяснение – дори звездите да са много далеч и светлината от тях да е много слаба, броят им би трябвало да компенсира както разстоянието, така и яркостта.

Например, ако погледнем към далечна планинска верига, няма да можем да видим всяко едно дърво или скала в нея, но ще видим тяхната форма и цвят. По същия начин, ако погледнем към далечна галактика, няма да можем да видим всяка звезда и планета, за разлика от формата на галактиката и нейния цвят.

Следователно, ако в небето има достатъчно звезди във всички посоки, тяхната обща светлина би трябвало да направи нощното небе ярко. Но в действителност тази яркост отново е недостатъчна. Дори ако приемем, че Вселената е хомогенна и статична, ще ни трябват около 10 Слънца във всяка посока, за да получим „желания“ резултат.

Освен това Вселената е хетерогенна – в нея има области с различна плътност и температура. Част от светлината, идваща от звездите, може да бъде блокирана или разсеяна от прах, газ и други обекти в космоса. Освен това Вселената не е статична. Напротив, тя е динамична и еволюираща.
Това означава, че звездите не са вечни и някои от тях отдавна са изчезнали, което намалява приноса им за яркостта на нощното небе.

Както може да се види, може да има и други фактори или явления, които влияят върху вида на нощното небе, и парадоксът на Олберс не е просто куриоз или загадка. Той всъщност е прозорец към природата на Вселената и нейната история, който преобръща всичко, което знаем за Космоса.

„Новите хоризонти“

Преди четири години астрономите получиха изненадваща представа за нов вид научни изследвания, които могат да извършват: те най-накрая могат да определят наличието (или отсъствието) на космически оптичен фон – количеството радиация с оптични дължини на вълните, излъчвана от обекти извън Млечния път през цялата история на Вселената.

Астрофизиците от Технологичния институт в Рочестър анализираха стотици изображения на светлинния фон, направени от инструмента за далечно разузнаване (LORRI) на космическата сонда „Нови хоризонти“ (New Horizons) през 2022 г. Резултатите, публикувани в The Astrophysical Journal, потвърждават, че космическият апарат регистрира много повече светлина, отколкото би трябвало.

Интересно е, че друга група учени от различни изследователски институти и обсерватории са стигнали до подобни резултати малко по-рано. Те също са използвали данните от инструмента LORRI, но са се фокусирали върху единични изображения. В обобщение тези резултати означават, че във Вселената трябва да има неизвестни източници на радиация, а космосът отвъд Млечния път е много по-ярък, отколкото се смяташе.

Колко светлина има във Вселената и как можем да разберем това?

И така, ако сборът от всички тези светлини, т.е. космическият оптичен фон, съответства на светлината, която се очаква да идва от галактиките и техните черни дупки, тогава можем да потвърдим настоящата картина на Вселената. Ако обаче случаят не е такъв и дълбокият космос не е напълно тъмен, тогава във Вселената има нещо, за което нямаме никаква представа.

Ситуацията обаче стана още по-объркана след публикуването на резултатите от ново изследване, което може да бъде намерено на сървъра за предпечатни публикации ArXiv (което означава, че статията не е била рецензирана). Новото откритие опровергава резултатите от предишните изследвания, които предполагаха, че върху светлината от известните галактики има „космически оптичен фон“.

Теоретично единственият „космически оптичен фон“, който би трябвало да присъства във Вселената, е светлината, излъчвана от звездите, която би трябвало да е ограничена до галактиките и по-големите струпвания на материя, плюс допълнителната отразена светлина от същите структури. Но от Земята и дори от космоса в рамките на нашата Слънчева система не можем да направим тези измервания – има твърде много „разсеяна светлина“ от нашата звезда, която се отразява от малките частици в междупланетното пространство, за да се открие истинската тъмнина.

„В пространството между тези галактики има много неразличими слаби галактики, които допринасят за космическия оптичен фон. Количественото определяне на този фон при всички дължини на вълните е жизненоважна задача, за да се гарантира, че нашият космологичен модел прецизно отразява действителността“, казват астрономите.

Учените вече са извършили необичайно преброяване на слабите галактики на широк диапазон от разстояния, използвайки мощни техники за дълбокото небе с висока разделителна способност с обсерватории като телескопа „Джеймс Уеб“ и „Хъбъл“, както и техники за широк обзор с по-ниска разделителна способност с телескопи като Sloan Digital Sky Survey, Gaia и Euclid. Но всички тези телескопи имат един съществен недостатък: те не са разположени достатъчно далеч от Слънцето.

В резултат на това съществува риск тези обсерватории да бъдат замърсени с разсеяна светлина както от Млечния път, така и от зодиакалния прах. За да изследваме дълбините на междузвездното пространство, трябва да премахнем тези източници, поради липса на по-добър израз, на „светлинно замърсяване“.

Така че единствената реална възможност според астрономите е да се лети много, много далеч, на огромни разстояния, където плътността на междупланетните прахови частици е изключително ниска. И така, въпреки че звездите, галактиките и Млечният път са позната гледка в нощното небе, това, което се случва отвъд него, е загадка, а парадоксът на Олберс все още няма решение и зададеният в началото въпрос засега е без отговор. Но някои от запозналите се с този материал може да предложат собствено решение.