Почему ночью небо тёмное?

Вплоть до ХХ века на этот вопрос не было получено ответа.

Представьте себя в большом березовом лесу. Тогда в каком бы направлении мы ни посмотрели, в конце концов луч зрения наткнется на ствол какого-нибудь дерева. Казалось бы, что лес стоит сплошной белой стеной. А теперь представим себе бесконечную статическую Вселенную, в которой звезды и галактики находятся в постоянном (статическом) положении друг к другу. Луч зрения земного наблюдателя в любом направлении в конце концов наткнется на поверхность звезды, поэтому вся небесная сфера должна перекрываться звездными дисками.

На рисунке справа схематично показан участок неба, который видел бы наблюдатель.

Круги разных диаметров - диски звезд. Яркость не зависит от расстояния: она определяется только свойствами излучающей поверхности. Поэтому во всех направлениях небо должно быть таким же ярким, как каждая звезда. Поскольку Солнце - типичная звезда, то все небо должно быть ночью и днем таким же ярким, как Солнце.

В этом и состоит фотометрический парадокс Ольберса, названный так в честь немецкого астронома XVIII века Генриха Ольберса, который первым четко сформулировал его. Несмотря на то, что этот парадокс был выведен для фонового излучения звезд в видимом свете, он характерен и для других диапазонов длин волн.

Наличие парадокса обнаружило несовершенство гипотезы о статической бесконечной Вселенной.

Парадокс Ольберса, или фотометрический парадокс, был разгадан благодаря открытию, сделанному в 20-х годах нашего столетия американским астрономом Э. Хабблом, которое привело к представлению о том, что Вселенная не статична, а однородно расширяется.

Исходя из измерений расстояний до ближайших галактик, Хаббл установил, что все галактики удаляются от нас, и скорость удаления V пропорциональна расстоянию r до галактики (V = H0 r).

Этот закон назван законом Хаббла, где H0 - постоянная Хаббла:


Таким образом, представление о статической картине Вселенной, где все объекты как бы застыли на своих местах, сменило представление картины Вселенной, объекты которой друг от друга разбегаются, и расстояния между ними непрерывно увеличиваются.

Скорость разбегания сильно влияет на свет, идущий от галактики к Земле. Действительно, каждый последующий фотон (квант света) , излучаемый звездой в галактике, должен дольше двигаться к Земле, чем квант, испущенный в предыдущий момент времени. Так что за один и тот же момент времени наблюдатель на Земле воспримет меньшее число квантов, чем в случае, если бы галактика все время находилась на одном месте (случай статической Вселенной) . Кроме эффекта уменьшения числа квантов, приходящих на Землю в единицу времени, излучаемые кванты уменьшают свою частоту (увеличивают длину волны) из-за эффекта Доплера.

Вместе оба эффекта ослабляют свет звезд далеких галактик. Это ослабление становится особенно сильным, когда скорость удаления галактик близка к скорости света. Тогда в пределе энергия (частота) воспринимаемых на Земле квантов стремится к нулю, а время их прибытия - к бесконечности.

Согласно закону Хаббла, галактики, находящиеся на расстоянии удаляются от нас со скоростью, равной скорости света, поэтому их излучение ослаблено до нуля, а излучение более далеких галактик до нас не доходит вообще. Т. е. для нас Вселенная - конечна, она ограничена радиусом в 20 млрд. световых лет.

Поэтому небо не столь яркое, как Солнце. Величину R иногда называют радиусом видимой части Вселенной, или радиусом Метагалактики.