Несмотря на то, что космос заполнен звездами, сам по себе он темный. Но почему? Этот казалось бы простой вопрос на деле настолько сложный, что даже получил специальное название — парадокс Ольберса. Судите сами – по оценкам астрономов, в наблюдаемой Вселенной насчитывается около 200 миллиардов триллионов звезд. Многие из них такие же яркие, как наше Солнце, но еще больше звезд сияют намного ярче. Так почему же, в таком случае, космос не наполнен ослепительным светом? Астрономы справедливо полагают, что ответ может заключаться в расстоянии – многие наблюдаемые нами звезды находятся очень далеко от Земли. А чем дальше находится звезда, тем менее яркой она выглядит. Но это – лишь часть головоломки, различные решения которой предлагались на протяжении веков. Теперь же, с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, исследователи предлагают новое решение знаменитого парадокса.

В космосе темно. Однако астрономы не могут понять почему на протяжении нескольких столетий. Изображение: miro.medium.com

Парадокс Ольберса

Парадокс Ольберса назван в честь Генриха Вильгельма Ольберса, немецкого астронома, который популяризировал его в 19 веке. На самом деле этот парадокс впервые обсуждался более ранними мыслителями, включая Томаса Диггеса, Иоганна Кеплера, Эдмонда Галлея и Жана-Филиппа де Шез. Все они задавались вопросом о том, почему ночное небо не такое яркое, как дневное, учитывая предположение, что Вселенная бесконечна и полна звезд.

Чтобы понять парадокс Ольберса, давайте представим простую аналогию. Предположим, вы находитесь в закрытой комнате без окон и дверей, а в руке у вас электрическая лампочка. Если включить ее, то в комнате станет светло. Теперь предположим, что в другой руке у вас есть еще одна лампочка, которую вы тоже включаете из-за чего в комнате станет еще светлее, так как источников света стало больше.

Если в космосе полно звезд, то почему он темный? Изображение: www.syfy.com

Выходит, если добавлять в комнату все больше и больше лампочек, то в конечном итоге в ней станет так светло, что разглядеть хоть что-нибудь будет затруднительно. Так происходит потому, что свет от всех лампочек заполняет каждый уголок комнаты, а значит места для темноты в ней попросту больше нет.

Теперь давайте применим эту аналогию к ночному небу. Если Вселенная бесконечна и полна звезд, то во всех направлениях должно быть по звезде, независимо от того, как далеко они находятся. Свет от этих звезд в конце концов должен дойти до нас, даже если на это потребуется очень много времени. Ночное небо должно быть таким же ярким, как и дневное, или даже ярче. Но почему в реальности все не так?

В поисках ответа

Ответ может показаться очевидным: звезды находятся слишком далеко, а еще они слишком тусклые, чтобы наблюдать их невооруженным взглядом. Вот только это неудовлетворительное объяснение – даже если звезды находятся очень далеко, а свет от них очень тусклый, их количество должно компенсировать и расстояние и яркость.

Ответ на вопрос о том, почему в космосе темно, по-прежнему неизвестен. Изображение: mediaproxy.salon.com

Например, если посмотреть на далекий горный хребет, то разглядеть на нем каждое отдельное дерево или скалу не получится, однако их форму и цвет мы увидим. Точно так же, глядя на далекую галактику, увидеть каждую звезду и планету будет невозможно, в отличие от формы галактики и ее цвета.

Следовательно, если на небе достаточно звезд во всех направлениях, их совокупный свет должен сделать ночное небо ярким. Но в реальности этой яркости вновь недостаточно. Даже если предположить, что Вселенная однородна и статична, нам понадобится около 10 Солнц в каждом направлении, чтобы получить «желаемый» результат.

Более того, Вселенная неоднородна – в ней есть области с различной плотностью и температурой. Часть света, исходящего от звезд, может быть заблокирована или рассеяна пылью, газом и другими объектами в космосе. К тому же, Вселенная не статична. Напротив, она динамична и развивается.
Это означает, что звезды не вечны, а некоторые из них, давно исчезли, уменьшив свой вклад в яркость ночного неба.

Вселенная расширяется с ускорением. Изображение: content.api.news

Как видите, могут существовать и другие факторы или явления, которые влияют на внешний вид ночного неба, а парадокс Ольберса – не просто курьез или загадка. На самом деле это окно в природу Вселенной и ее историю, который бросает всему, что мы знаем о космосе.

«Новые горизонты»

Четыре года назад астрономы получили потрясающее представление о новом типе научных исследований, которые они могут выполнять: они, наконец, смогут определять наличие (или отсутствие) космического оптического фона – суммы излучения в оптических длинах волн, исходящего от объектов, расположенных за пределами Млечного Пути за всю историю Вселенной.

В 2022 году астрофизики из Рочестерского технологического института проанализировала сотни изображений фонового света, сделанных устройством дальней разведки (LORRI) космического зонда «Новые горизонты» (New Horizons). Результаты, опубликованные в журнале The Astrophysical Journal подтвердили, что космический аппарат наблюдает гораздо больше света, чем должен.

Космический аппарат NASA «Новые горизонты» изучает яркость Вселенной. Изображение: media-ecn.s3.amazonaws.com

Интересно и то, что к похожим результатам ранее пришла другая группа ученых из различных исследовательских институтов и обсерваторий. Они также использовали данные прибора LORRI, но ориентировались на единичные снимки. В сумме эти результаты означают, что во Вселенной должны существовать неизвестные нам источники излучения, а космос за пределами Млечного Пути намного ярче, чем считалось.

Сколько света во Вселенной и как это узнать?

Итак, если сумма всего этого света, то есть космического оптического фона, соответствует свету, который, по прогнозам, должен исходить от галактик и их черных дыр, то мы можем подтвердить современную картину Вселенной. Однако, если это не так и дальний космос не совсем темный, то во Вселенной есть что-то, о чем мы понятия не имеем.

Ситуация, однако, стала еще запутаннее, после публикации результатов нового исследования, ознакомиться с которыми можно на сервере препринтов ArXiv (это означает, что работа не прошла экспертное рецензирование). Новое открытие опровергает результаты предыдущих исследований, в которых предполагалось, что поверх света известных галактик существует «космический оптический фон».

Самый глубокий снимок галактик на ночном небе, сделанный NASA с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Изображение: bigthink.com

Теоретически, единственным «космическим оптическим фоном», который должен присутствовать во Вселенной, является свет, излучаемый звездами, который должен быть ограничен галактиками и более крупными скоплениями материи, плюс немного дополнительного отраженного света изнутри тех же структур. Но с Земли и даже из космоса в пределах нашей Солнечной системы мы не можем провести эти измерения – там слишком много «рассеянного света» от нашей звезды, отражающегося от крошечных частиц в межпланетном пространстве, чтобы обнаружить истинную темноту.

В пространстве между этими галактиками существует множество неразличимых слабых галактик, которые вносят свой вклад в космический оптический фон. Количественная оценка этого фона на всех длинах волн является жизненно важной задачей для обеспечения того, чтобы наша космологическая модель точно отражала реальность, – отмечают астрономы.

Ученые уже провели экстраординарную перепись тусклых галактик на самых разных расстояниях, используя мощные методы глубокого обзора с высоким разрешением с помощью таких обсерваторий, как телескоп Джеймса Уэбба и Хаббл, а также используя методы широкого обзора с более низким разрешением в таких телескопах, как Sloan Digital Sky Survey, Gaia и Euclid. Но у всех этих телескопов есть существенный недостаток: они расположены недостаточно далеко от Солнца.

Откуда во Вселенной берется свет? Изображение: i.gzn.jp/img

В результате существует риск того, что рассеянный свет, как от Млечного Пути, так и от зодиакальной пыли, загрязняет эти обсерватории. Чтобы исследовать глубины межзвездного пространства, нам необходимо устранить эти источники, за неимением лучшего выражения, «светового загрязнения».

Таким образом, единственный реальный вариант по мнению астрономов, это — улететь очень и очень далеко, на огромные расстояния, где плотность частиц межпланетной пыли крайне мала. Выходит, хотя звезды, галактики и Млечный путь – привычное зрелище на ночном небе, происходящее за его пределами – загадка, а парадокс Ольберса по-прежнему не имеет решения.