200-річна історія питання, що змінило наше розуміння Всесвіту

На світанку над німецьким містом Бремен 7 травня 1823 року Генріх Ольберс завершив статтю, яка залишила його ім’я в історії. Після смерті дружини та доньки доктор Олберс нещодавно залишив роботу офтальмолога, щоб присвятити себе своїм нічним пристрастям: зіркам, місяцю, метеоритам і кометам. Як і багато інших його однолітків, Ольберс навчався астрономії. Він здобув солідну репутацію в академічному світі та проводив довгі ночі, спостерігаючи за небом з обсерваторії на другому поверсі свого будинку.

Того ранку Ольберс дійшов дивного висновку: виходячи з усього, що було відомо про Всесвіт на той час, нічне небо не мало бути темним. Насправді все небо повинно було світитися так яскраво, як сонце. Ольберс не був першим, хто помітив цей парадокс. Але його ім’я ми прив’язуємо до нього сьогодні. Загадка темряви нічного неба відлунювала століттями від Ольберса та поета Едгара Аллана По до астрономів і космічних зондів 20-го століття сьогодні.

Кінцеве світло в нескінченному всесвіті

Як і багато його сучасників, Ольберс слідом за Ісааком Ньютоном і Рене Декартом вірив у нескінченність Всесвіту. Якби Всесвіт був скінченним і статичним, сила тяжіння мала б притягнути всі зірки разом до центральної точки. Але якби Всесвіт тривав вічно, сили тяжіння були б у середньому збалансовані в усіх напрямках.

Але Ольберс зрозумів, що ця модель космосу не відповідає спостереженням. У безмежному всесвіті, наповненому нескінченною кількістю зірок, куди б ми не дивилися вночі, наш погляд повинен зупинятися на поверхні зірки, приблизно так само, як кожна лінія зору в лісі закінчується на дереві.

Це проблема, яку Ольберс порушив у своїй статті від 7 травня 1823 року: космологічна модель того часу передбачала, що кожна точка на небі повинна бути такою ж яскравою, як поверхня сонця. Ніч не повинно бути.

Олберс запропонував рішення: світло від більш далеких зірок поглиналося пилом або іншим матеріалом, що плавав у космосі. Пізніше англійський астроном Джон Гершель зазначив, що це не може бути правильно, тому що все, що поглинає стільки світла, зрештою нагріється настільки, що стане світитися.

Коли Ольберс помер 2 березня 1840 року у віці 81 року, загадка, яку ми сьогодні знаємо як парадокс Ольбера, була нерозгаданою.

Інтуїція поета

Через вісім років, по інший бік Атлантичного океану, поет і письменник Едгар Аллан По думав, що знайшов відповідь. 3 лютого 1848 року він прочитав публічну лекцію про свої ідеї перед 60 людьми в Бібліотеці Нью-Йоркського товариства. Переходячи між метафізикою та наукою, Стверджував, що космос виник із єдиного стану матерії («єдності»), який фрагментувався та розсіювався під дією сили відштовхування.

Це означало, що Всесвіт був кінцевою сферою матерії. Якщо скінченний Всесвіт населений досить малою кількістю зірок, ми не побачимо жодної в кожному напрямку, куди дивимося. Ніч знову може бути темною.

Навіть якщо ми припустимо, що Всесвіт нескінченний, якби він почався в якийсь момент у минулому, тоді час, потрібний світлу, щоб досягти нас, обмежував би розмір Всесвіту, який ми можемо бачити. Цей час подорожі створив би горизонт, за яким далекі зірки залишалися б недоступними.

Аудиторія По у бібліотеці Нью-Йоркського товариства не викликала у нього захопленого приймання, на який він сподівався. Пізніше того ж року він опублікував свої теорії у прозовій поемі «Еврика», яка мало розповсюджувалася. Наступного року, 7 жовтня 1849 року, Помер у віці 40 років. Минуло більше століття, перш ніж вчені підтвердили його інтуїцію щодо загадковості темного нічного неба.

Два з половиною факти

У першій половині 20-го століття було розроблено багато нових теорій космосу на основі загальної теорії відносності Ейнштейна, яка по-новому пояснювала гравітацію, простір і час. У другій половині століття ці космологічні теорії почали перевіряти за допомогою спостережень.

У 1963 році британський астроном Пітер Шойер стверджував, що космологія базується лише на «двох з половиною фактах»:

• Факт 1: нічне небо темне, про що було відомо вже деякий час
• Факт 2: галактики віддаляються одна від одної, як показали спостереження Хаббла, опубліковані в 1929 році
• Факт 2.5: зміст Всесвіту, ймовірно, еволюціонує з розгортанням космічного часу.

Сильні суперечки щодо інтерпретації фактів 2 і 2.5 хвилювали наукову спільноту в 1950-х і 1960-х роках. Чи був Всесвіт фактично нерухомим, чи він почався в результаті величезного вибуху — Великого вибуху? Прихильники обох сторін поступилися, однак їм потрібно було пояснити темряву нічного неба.

Тривалість життя зірок

Британський космолог Едвард Гаррісон розв’язав конфлікт у 1964 році. Він показав, що основним фактором, який визначає яскравість нічного неба, є кінцевий вік зірок. Кількість зірок у всесвіті, що спостерігається, надзвичайно велика, але вона обмежена. Ця обмежена кількість, кожна з яких горить протягом обмеженого часу, поширена на гігантський об’єм, дозволяє темряві проявлятися між зірками.

Пізніше Харрісон зрозумів, що це рішення вже було запропоновано не лише Едгаром Алланом По, але й британським фізиком лордом Кельвіном у 1901 році. Спостереження у 1980-х роках підтвердили резолюцію, запропоновану По, Кельвіном і Гаррісоном. Парадокс Ольбера нарешті було покладено на кінець.

Викопне світло

А може, й не зовсім. Якщо дивитися під іншим кутом, парадокс має інше вирішення: нічне небо насправді не таке вже й темне. Після відкриття розширення Всесвіту наприкінці 1920-х років вчені зрозуміли, що Всесвіт міг спочатку бути надзвичайно компактним, щільним і гарячим. Це модель «гарячого великого вибуху», яку ми маємо сьогодні.

Одним з основних передбачень цієї моделі є існування «викопного світла», яке виділяється на світанку космосу. Це викопне світло можна спостерігати сьогодні, але не неозброєним оком, оскільки Всесвіт, що розширюється, змістив би його до більших довжин хвиль. Це випромінювання — космічний мікрохвильовий фон — було виявлено в 1964 році. Космічне фонове випромінювання, яке тепер вимірюється з надзвичайною точністю, є найпоширенішим світлом у Всесвіті.

Тепер ми знаємо, що космос також освітлюється другим, набагато слабшим фоновим світлом, яке створюється галактиками під час їх формування та еволюції. Це світло називають космічним ультрафіолетовим, оптичним та інфрачервоним фоном. Тож ми також можемо відповісти на парадокс Ольбера, сказавши, що небо не темне, а ледь помітно мерехтить тьмяним реліктовим випромінюванням усього, що було протягом кінцевого періоду існування Всесвіту.

Нові відповіді, нові питання

У 2023 році парадокс Ольбера перетворився на багате поле досліджень. У нашій власній роботі ми проводимо дедалі точніші вимірювання яскравості нічного неба та моделюємо зірки космосу за допомогою суперкомп’ютерів. Тепер ми можемо з великою точністю визначити кількість зірок на небі.

З усім тим, загадки залишаються. Минулого року космічний зонд New Horizons, який знаходився за орбітою Плутона та далеко від пилу внутрішньої Сонячної системи, виявив, що небо вдвічі яскравіше, ніж ми очікували. І тому питання темряви неба продовжує жити, перетинаючи епохи та культури.