[Перевод] Спросите Итана: почему космос кажется чёрным?

Иногда самые простые вопросы и ответы на них порождают глубочайшие озарения. Среди присланных в нашу рубрику вопросов было много прекрасных и интересных, но на этой неделе чести получения ответа удостаивается читатель, спрашивающий о бездне глубокого космоса:

Может ли космос, который мы видим ночью, быть чёрным, потому что человек способен видеть не очень далеко?

Иначе говоря, почему ночное небо такое тёмное и лишённое света?

Если подумать, в этом нет смысла. И правда, ведь атмосфера у нас прозрачная, она позволяет нам заглядывать в глубины космоса, когда Солнце расположено с другой стороны нашего мира. Благодаря нашему расположению в галактике, лишь часть Вселенной скрыта от нас галактическим газом и пылью, блокирующим свет центральных участков Млечного пути. Но если бы мы жили в действительно бесконечной Вселенной, то в любом направлении взгляда через достаточно большое расстояние мы непременно натыкались бы на яркую точку света.

Мы, конечно, можем заглядывать в глубочайшие глубины космоса, где нельзя увидеть ни звёзд, ни галактик, ни невооружённым глазом, ни через обычные телескопы – мы можем заставить телескоп им. Хаббла глядеть в такие точки часами и днями. После этого мы обнаруживаем, что Вселенная на самом деле заполнена звёздами и галактиками. Миллионы, миллиарды и десятки миллиардов лет свет путешествует через Вселенную и доходит до нашего оборудования. Набор достаточного количества фотонов с такого огромного расстояния может занять время, но поскольку в обозреваемой части Вселенной содержится не менее 170 миллиардов галактик, можно задаться вопросом, а не бесконечно ли их количество.

В принципе, такое возможно, но только бесконечным не может быть видимое нами количество. В XIX веке Генрих Вильгельм Ольберс сообразил, что если бы Вселенная и правда была бесконечной, и в ней было бы бесконечно много звёзд, то рано или поздно, куда бы вы ни посмотрели, ваш взгляд наткнулся бы на поверхность звезды. Вы бы не видели галактики так, как мы их видим, поскольку они в основном состоят из пустоты. Вы бы видели все эти звёзды, плюс все звёзды в галактиках за ними, плюс все ещё более удалённые звёзды, и т.п. Пройдите по прямой миллиарды, триллионы, квадриллионы световых лет – рано или поздно вы упрётесь в звезду.

Простая математика: если взять бесконечное пространство с конечной ненулевой плотностью вещества, то взглянув из любого места в любом направлении, вы рано или поздно наткнётесь на это вещество, находящееся на конечном расстоянии. Если космос заполнен звёздами, пусть и редко, но зато бесконечно, и с одинаковой плотностью, то вы наткнётесь на звезду, куда бы вы ни смотрели. И избежать этого, сваливая всё на поглощающую свет пыль, не получится.

Математическая теорема, утверждающая, что свет звёзд со всех направлений рано или поздно дойдёт до вашего местоположения, применима ко всем участкам космоса, в том числе и к пыли. Со временем эта пыль разогреется так, что тоже начнёт светиться. Если бы эта была наша Вселенная – статичная, бесконечная, с бесконечно светящими звёздами – ночное небо вечно было бы ярким.

Что же нас спасает? Хотите – верьте, хотите – нет, но это Большой взрыв! Тот факт, что Вселенная не существует вечно, и поэтому мы можем видеть лишь звёзды и галактики, находящиеся на конечном расстоянии от нас – и получать конечное количество света и энергии от них – объясняет, почему в нашем ночном небе не наблюдается сколько угодно большого количества звёзд. Конечно, точек света, разбросанных по Вселенной, существует достаточно. Но видимое нами количество, ограниченное скоростью света и физикой расширяющейся Вселенной, конечно. Скорее всего, Вселенная гораздо больше, в ней есть больше звёзд и галактик вне пределов нашего взора, но они не могут освещать наше небо, поскольку с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы их свет дошёл до нас. Вселенная может быть бесконечной, но мы можем видеть только свет, шедший 13,8 млрд лет – время, прошедшее с Большого взрыва.

– Минуточку, – могли бы возразить вы, – Большой взрыв говорит о том, что в прошлом Вселенная была горячее и плотнее, поэтому сегодня мы должны видеть всё излучение этого состояния во всех направлениях! И это так и было, до того, как появились первыё звёзды и галактики; 13,8 млрд лет назад Вселенная была такой горячей, что в ней не могли возникать нейтральные атомы. А когда нейтральные атомы сформировались, то свет смог свободно путешествовать по прямым линиям, и сегодня он должен доходить до наших глаз постоянно и со всех направлений.

Приблизительно 1% телевизионной статики составляет реликтовое излучение

И мы на самом деле видим и принимаем этот свет, каждый раз, когда включаем старый аналоговый телевизор на 3-м канале. «Снег», который вы видите, происходит от различных источников – человеческие радиопередачи, Солнце, чёрные дыры, и всяческие иные астрофизические явления. Но примерно 1% от него происходит от остаточного свечения Большого взрыва: от реликтового излучения. Если бы мы заглянуть в микроволновую и радиоволновую части спектра вместо видимой части, мы бы видели ночное небо примерно одной яркости, без тёмных участков.

Именно комбинация двух фактов:

1. Вселенная существует конечное время,
2. мы можем видеть свет только видимой части спектра,

делает ночное небо тёмным. Единственная причина, по которой мы видим в ночном небе именно то, что видим – это то, что свет нашего солнце находится на участке в несколько тысяч кельвинов, поэтому мы и видим всё это: звёзды, галактики, и объекты, отражающие свет Солнца. Если бы мы могли видеть на участках спектра в несколько единиц кельвинов, всё ночное небо для нас было бы ярким. В каком-то смысле именно ограниченность наших органов чувств и подвигла нас на изучение Вселенной!