Фотометричний парадокс

До цих пір ми говорили про такі спостережних фактах, які були отримані астрономами-професіоналами за допомогою складної техніки. Але є один факт, відомий кожному з дитинства: вночі темно. Виявляється, цей факт дуже важливий з космологічної точки зору. Відсутність сонячного освітлення є необхідною, але аж ніяк не достатньою причиною темряви нічного неба.

Вся справа в зірках. Зірки, звичайно, дуже далекі від нас, але їх дуже багато. У нескінченній Всесвіту, весь простір якої заповнений зірками, всякий промінь зору повинен закінчуватися на зірці. Потік енергії випромінювання, прийнятого від неї, зменшується обернено пропорційно квадрату відстані від світила. Але кутова площа (тілесний кут), займана на небі кожною зіркою, також зменшується обернено пропорційно квадрату відстані, з чого випливає, що поверхнева яскравість зірки (що дорівнює відношенню стелі енергії до тілесного кута, займаному на небі зіркою) не залежить від відстані. Оскільки наше Сонце є в усіх відношеннях типовою зіркою, то поверхнева яскравість зірки в середньому повинна дорівнювати поверхневої яскравості Сонця. Коли ми дивимося в якусь точку неба, ми бачимо зірку з тією ж поверхневою яскравістю, що і Сонце; поверхнева яскравість сусідньої точки повинна бути такою ж, і взагалі у всіх точках неба поверхнева яскравість повинна бути рівна поверхневої яскравості Сонця, оскільки в будь-якій точці небосхилу повинна знаходитися якась зірка (рис. 3.4.1). Ми приходимо до висновку: все небо (не тільки вночі, але і вдень) повинно бути таким же яскравим, як і поверхня Сонця! Це твердження і називається фотометричним парадоксом.

Рис. 3.4.1. Ілюстрація фотометричного парадоксу в однорідної і ізотропного, але статичної Всесвіту. Розміри зірок для наочності перебільшені, що не відбивається на суті парадоксу.

Вперше цей парадокс сформулював видатний астроном Едмунд Галлей (рис. 3.4.2), який прославився пророкуванням появи знаменитої комети, що нині носить його ім’я. Іноді фотометричний парадокс називається парадоксом Ольберса, на честь астронома, який перевідкрив його в XIX столітті.

У минулому робилися спроби вирішити цей парадокс припущенням, що хмари космічного пилу екранують світло далеких зірок. Однак це пояснення неправильно: пил сама повинна нагріватися і світитися також яскраво, як зірки.

Насправді дозвіл цього парадоксу полягає в наступному. Оскільки більше 15 млрд. Років тому у Всесвіті не було галактик і квазарів, найбільш віддалені зірки, які ми можемо спостерігати, розташовані на відстанях близько 15 млрд. Св. років. Це усуває основну передумову фотометричного парадоксу – те, що зірки розташовані на будь-яких, як завгодно великих відстанях від нас. Всесвіт, що спостерігається на великих відстанях, настільки молода, що зірки ще просто-напросто не встигли утворитися в ній. Зауважимо, що це аніскільки не суперечить безмежності Всесвіту: обмежена не Всесвіт, а тільки та частина її, де встигли за час приходу до нас світла народитися перші зірки.

Свій внесок у зменшення яскравості нічного неба вносить і червоний зсув галактик. Дійсно, далекі галактики мають в (1 + z) велику довжину хвилі випромінювання, ніж галактики на близьких відстанях. Але довжина хвилі пов’язана з енергією світла за формулою ε = hc / λ. Тому енергія фотонів, прийнятих нами від далеких галактик, в (1 + z) разів менше. Далі, якщо з галактики з червоним зміщенням z вилітають два фотони з інтервалом часу δt, то інтервал між прийняттям цих двох фотонів на Землі буде в ще в (1 + z) разів більше, стало бути, інтенсивність прийнятого світла в стільки ж разів менше. В результаті ми отримуємо, що сумарна енергія, що надходить до нас від далеких галактик, в (1 + z) 2 разів менше, ніж якби ця галактика не віддаляється від нас внаслідок космологічного розширення.

Таким чином, на “дитячий” питання про те, чому вночі темно, слід відповідати так: по-перше, тому що вночі Сонце світить з іншого боку Землі, а по-друге, тому що Всесвіт розширюється!

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Гравітація