Почему небо черное в космосе


Почему небо черное в космосе

Смотреть на ночное небо, полное звезд, является одним из самых сильных переживаний, которые мы имеем как люди; это зрелище вдохновляло нас на протяжении десятков тысяч лет. Хотя невооруженным глазом видно менее 4500 звезд в любой точке Земли, мы знаем, что только в Млечном Пути (нашей галактике) есть не менее 100 миллиардов звезд.

Если это не полностью подорвало ваше чувство перспективы, подумайте об этом — по оценкам, в нашей вселенной насчитывается более 170 миллиардов галактик, многие из которых намного больше нашей домашней галактики.

Это означает, что во вселенной триллионы звезд, каждая из которых — пульсирующая радиационная машина, способная осветить пространство вокруг нее на миллионы километров.
Учитывая эти неисчислимо большие числа, неудивительно, что общий вопрос на протяжении всей истории касался очевидного недостатка света в небе. Более конкретно, почему пространство кажется черным?

Вселенная конечна


Почему небо черное в космосе

Когда самые мощные телескопы смотрят в просторы космоса, они, по сути, оглядываются назад во времени. Мы можем видеть 46 миллиардов световых лет в каждом направлении, в то время как у любого источника света за пределами этого расстояния не было достаточно времени, чтобы добраться до нас.

Даже когда мы фокусируем эти невероятно мощные телескопы в крошечной точке пространства, которая кажется абсолютно черной, свет все равно достигает нашего оборудования наблюдения, и мы находим еще больше звезд и галактик. Количество звезд и галактик ошеломляет, и нашим мозгам трудно даже понять. Галактические расстояния почти немыслимы, поэтому во всех смыслах и целях Вселенная часто кажется бесконечной.

Однако, как отметили многие эксперты, и как показали мысленные эксперименты, если бы наша вселенная была поистине бесконечной, то, если бы вы посмотрели достаточно далеко и долго в какой-то одной точке пространства, в конце концов вы бы приземлились на источник света, даже если бы он был на другой «стороне» вселенной. Тем не менее, мы видим, что это не так, и, учитывая наше понимание Большого взрыва, ускоряющегося расширения и космического микроволнового фона, преобладает мнение, что вселенная на самом деле конечна.


Если бы вселенная была бесконечной, то мы бы никогда не увидели пустое пространство (черного цвета) между галактиками и звездами. Каждая точка тьмы будет заполнена звездами или галактиками на бесконечном диапазоне расстояний и глубин.
В случае бесконечной вселенной наше ночное небо будет постоянно освещено, что, как мы знаем, не так. Опять же, основываясь на огромных, неуклюжих пропорциях Вселенной, хотя она заполнена триллионами звезд и сотнями миллиардов галактик, подавляющее большинство полностью пусто. Хотя это может быть трудно осмыслить, некоторые эксперты считают, что плотность вещества во Вселенной составляет примерно один атом водорода на кубический метр! Если мы представим всю вселенную в кубе размером с картонную коробку, и все звезды, галактики, планеты, астероиды и луны будут эквивалентны одному атому водорода в этой коробке, вы сможете начать понимать, насколько пусто пространство и, следовательно, «без света».

Хотя вне всякого сомнения существует” большая » вселенная за пределами того, что мы можем наблюдать в настоящее время, у нас не было достаточно времени для того, чтобы свет от этих небесных тел достиг нас после Большого Взрыва. Что еще более интересно, из-за ускоряющегося расширения Вселенной не только небесные тела и галактики движутся от нас почти со скоростью света (на самых дальних краях вселенной), но и пространство между этими телами также расширяется с быстрой скоростью. Это означает, что край вселенной постоянно удаляется от нас и, фактически, движется быстрее скорости света! Это означает, что даже через миллиарды лет ночное небо по-прежнему будет черным, поскольку наше зрение никогда не сможет догнать самые дальние точки во вселенной.

Человеческие ограничения


Помимо физических аспектов Вселенной (например, плотности вещества, скорости расширения), которые влияют на общую черноту пространства, существуют также ограничения нашего видения. Например, люди могут видеть свет только в видимом спектре. Однако в электромагнитном спектре видимый спектр представляет собой узкую полосу, ограниченную с одной стороны гамма-лучами, рентгеновскими лучами и ультрафиолетовыми лучами, а с другой стороны — инфракрасным излучением, радаром, микроволнами и радиоволнами.

Эти различные типы излучения (формы света) создаются по всей вселенной, но мы не можем физически увидеть этот свет без специализированных датчиков. Что еще более важно, в самом начале Вселенной — Большого взрыва — вся масса, которая сейчас присутствует, содержалась при почти бесконечной плотности и температуре, прежде чем она начала быстро расширяться наружу. Первоначально Вселенная была настолько нестабильной, что атомы даже не могли сформироваться. Таким образом, все это излучение, тепло и энергия, теоретически, будут равномерно распределяться по всей вселенной по мере ее расширения, а это означает, что мы должны испытывать и наблюдать ее со всех сторон, все время.


Как оказалось, за последние 13,8 миллиардов лет большая часть этой радиации «остыла», но не исчезла. Как упоминалось ранее, существует нечто, называемое Космическим микроволновым фоном, которое, по сути, является послесвечением Большого взрыва, и оно почти равномерно присутствует во всей вселенной. Это излучение очень холодное, с низким количеством энергии и, следовательно, не в видимом спектре света. Если бы люди могли видеть радиоволны такой низкой интенсивности так же, как мы видим видимый свет, небо было бы бесконечно освещено для нас. Однако то, как адаптировались наши способности зрения, основанные на качестве света, генерируемого нашей звездой, не позволяет нам видеть этот конкретный тип или диапазон излучения.

Заключение

Казалось бы, бесконечная чернота космоса может чувствовать себя изолированной, но помните, что то, что вы можете увидеть невооруженным глазом, является лишь бесконечно малой долей звезд и галактик, которые находятся в дальних уголках космоса. Несмотря на это, подавляющее большинство пространства представляет собой вакуум, лишенный каких-либо объектов, которые могли бы создать видимый нам свет для свидетельства. Наконец, если темная пустая пустота сбивает вас с толку, помните, что она на самом деле наполнена светом… именно такого, который мы не можем видеть!

Источник: new-science.ru

История исследований


Первым человеком, который всерьез заинтересовался данным вопросом, был английский астроном Томас Диггес, живший в далеком 16-м веке.  В 1576-м году Диггес опубликовал свой труд под названием  «Совершенное описание небесных сфер в соответствии с древней доктриной пифагорейцев, возрождённой Коперником, подкреплённое геометрическими демонстрациями». Томас Диггес заметно развил и видоизменил идею Николая Коперника о гелиоцентрической системе мира. Важным отличием его работы является предположение, что наблюдаемые на небосводе звезды располагаются не на одной сфере, то есть находятся на разном расстоянии от Земли, вплоть до бесконечности.

Строение Вселенной по Томасу Диггесу (из работы «Совершенное описание небесных сфер…»)

Строение Вселенной по Томасу Диггесу (из работы «Совершенное описание небесных сфер…»)

Предположение о бесконечно глубокой небесной сфере послужило Диггенсу аргументом в пользу того, что небесная сфера не вращается, а вращается лишь Земля. Однако, еще одно немаловажное следствие из этого предположения некое подобие фотометрического парадокса (о нем поговорим несколько позже), который по его версии состоял в том, что бесконечно удаленные звезды просто не видно, в силу своей удаленности. А если нет источника света на небе, то в этом месте мы будем видеть лишь тьму. Такое, казалось бы, простое объяснение, дало начало будущим исследователям этого вопроса.


В 18-м веке швейцарский астроном Жан-Филипп Луи де Шезо сформулировал так называемый «фотометрический парадокс«, который позднее набрал большую популярность в научных кругах благодаря трудам немецкого астронома и физика Генриха Ольберса, в честь которого также часто называют данное явление. Согласно этому парадоксу, в бесконечной неподвижной Вселенной, которая всюду усеяна звездами, взгляд наблюдателя в любую точку небосвода должен приводить к какой-нибудь звезде. Также как если бы мы находились в большом лесу, повсюду были бы видны только деревья, неважно, далеко или близко, так мы должны видеть свет звезды в любой точке небосвода.

Анимация добавления звезд на небосвод, слой за слоем

Анимация добавления звезд на небосвод, слой за слоем

Хотя исходящий от звезды поток энергии излучения должен уменьшаться обратно пропорционально квадрату расстояния до нее, также уменьшается и телесный угол (угловая площадь, которую занимает звезда на небе) обратно пропорционально квадрату расстояния до звезды.


к известно, поверхностная яркость звезды равняется отношению потока энергии излучения к телесному углу звезды, а значит — не зависит от расстояния. Если считать поверхностную яркость Солнца, которое является типичной звездой во Вселенной, — типичной яркостью большинства звезд, то любая точка небосвода должна светиться таким же образом, как светится и наша звезда. Очевидно, мы наблюдаем совсем иную картину.

Решение парадокса Ольберса

В попытке разрешить упомянутый парадокс, Ольберс и Шезо предположили, что свет далеких звезд экранируется благодаря облакам космической пыли, расположенным между Землей и звездами. В 1848-м году английский математик и астроном Джон Гершель опроверг это объяснение следующим утверждением: благодаря закону сохранения энергии, в изотропной и однородной Вселенной, такие облака пыли должны самостоятельно нагреваться и излучать свет, энергия которого близка к энергии излучения звезд.

Графическое представление парадокса Ольберса

Графическое представление парадокса Ольберса


Примечательно, что впервые верное разрешение этого парадокса было опубликовано не в научной работе, а в поэме американского писателя и поэта — Эдгара Аллана По под названием «Эврика» в 1848-м году. Позже, в 1861-м году, этот ответ был представлен научному сообществу немецким астрономом Тоганном Медлером. Подспорьем для этого решения послужили два предположения (сегодня — факта): конечность возраста Вселенной, а также конечность скорости света. В силу наличия ограниченного возраста Вселенной — 13,81 миллиарда лет, время, за которое свет от самых далеких космических тел доходит до нас, не превышает эту цифру.

Данный аргумент лишает парадокс основной предпосылки, согласно которой наблюдаемые звезды находятся на сколь угодно больших расстояниях. Если за этим пределом наблюдаемой Вселенной и существуют какие-то звезды, то их излучение просто не успело бы дойти до Земли. Из этого следует, что небосвод не обязан полностью покрываться свечением далеких звезд.

Расширение Вселенной

В 1848-м году фрунцзский физик Ипполит Физо обнаружил некий сдвиг спектральных линий в исследуемых им спектрах небесных тел, данное явление было названо красным смещением. Красное смещение наблюдается как нехарактерное для изучаемого космического тела свечение, спектр которого смещен в менее энергетическую красную сторону. Последовавшее объяснение основывалось на эффекте Доплера, согласно которому длина волны, а значит и цвет, излучения удаляющегося объекта увеличивается, а его энергия — уменьшается.


Пример космологического красного смещения

Пример космологического красного смещения

В это же время развивалась теория, согласно которой на длину волны света также влияет и гравитационное поле. С приходом общей теории относительности Эйнштейна, гравитационное красное смещение стало общепринятой теорией. Иными словами, электромагнитное излучение, испускаемое источником в области сильного гравитационного поля (массивной звезды или черной дыры) испытывает красное смещение. Существует и обратный эффект — «синее смещение» для источников излучения, расположенных в слабом гравитационном поле.

В 1922-1924-м годах, основываясь на расчетах Альберта Эйнштейна, российский и советский физик и математик Александр Фридман, создал модель, известную как нестационарная Вселенная, согласно которой Вселенная расширяется, а значит окружающие нас объекты постоянно удаляются. Исходя из упомянутых ранее работ, из-за продолжительного удаления от Земли окружающих ее различных источников электромагнитного излучения (даже целых галактик), это излучение теряет свою интенсивность в результате эффекта Доплера. Это также дополняется влиянием гравитационного красного смещения. Стоит отметить, что красное смещение вносит небольшой вклад в потерю яркости излучения дальних объектов, и темное небо объясняется.


Схема расширения Вселенной

Схема расширения Вселенной

Известно, что небосвод будет становиться со временем все темнее, что вытекает из ускоренного расширения Вселенной. Представим объект, который расположен на краю наблюдаемой Вселенной, который, как нам кажется, расположен в 13,81 миллиардах световых лет от нас, в момент своего зарождения выпустил свои первые фотоны света. Как упоминалось ранее – этому излучению потребуется минимум 13,81 миллиард лет, чтобы достичь Земли. Однако, за это время данное тело переместилось от нас далее, в силу ускоренного расширения Вселенной. В момент, когда «на краю Вселенной» расширение достигнет скорости света, возникнет некий горизонт событий, который уже не пропустит к нам излучение от этих объектов,  и оно будет бесконечно к нам идти. Постепенно этот горизонт будет приближаться, по мере ускорения расширения Вселенной.

Открытие группы Кристофера Конселиса

За почти 30 лет работы космический телескоп «Хаббл» послужил великолепным инструментом для астрономов, и помог им значительно расширить наше представление о Вселенной. Так в 2016-м году был завершен 15-летний подсчет галактик в наблюдаемой Вселенной на основе данных этого телескопа. Если ранее ученые полагали о наличии около 100-200 миллиардов галактик, то теперь данные указывают на число галактик большее в 10-20 раз, нежели по предыдущим результатам наблюдения.

Группа исследователей, возглавляемая Кристофером Конселисом из Ноттингемского университета, создала трехмерную модель, на основе упомянутых данных, которая дала возможность подсчитать число галактик во Вселенной на разных этапах ее развития. Как сказал сам Кристофер Конселис: «Более 90 процентов галактик, находящихся в области наблюдаемой Вселенной, имеют довольно слабое свечение, а потому будут доступны для наблюдения лишь с новым поколением телескопов». По словам Конселиса в наблюдаемой Вселенной существует более двух триллионов галактик.

Фотография газообразной Крабовидной туманности в видимом (слева) спектре, сделанная телескопом Хаббл, и инфракрасном (справа), предоставленная обсерваторией Гершель.

Фотография газообразной Крабовидной туманности в видимом (слева) спектре, сделанная телескопом Хаббл, и инфракрасном (справа), предоставленная обсерваторией Гершель.

Таким образом, имея ввиду наличие такого огромного количества светящихся объектов во Вселенной, перед нами снова возникает все тот же вопрос о черном небе ночью. Решение этой проблемы, по словам Конселиса, кроется все в тех же потерях света, приходящего от дальних объектов. В силу своего далекого расположения, на пути излучения этих галактик возникает множество препятствий, вроде других облаков космической пыли и других объектов. Сегодня мощнейшие телескопы позволяют нам заглянуть на расстояние около 10 миллиардов световых лет, что заметно ограничивает число источников электромагнитного излучения. Также надо учитывать, что наблюдая за объектами на таком большом расстоянии — мы видим их состояние в то далекое время, когда они, быть может, только начинали образовываться.

Согласно книге «Ночная тьма: загадка Вселенной» астронома Эдварда Гаррисона из Массачусетского университета, хоть в видимой области Вселенной и существует около 700 секстиллионов звезд (7 * 10^23), этого числа явно недостаточно, чтобы покрыть каждую точку наблюдаемого нами небосвода.

Подведем итоги

В заключение можно сказать, что вопрос «почему ночью небо черное?» остается открытым. Мы знаем, что в уменьшение мощности излучения далеких объектов привносит вклад расширение Вселенной, и вытекающее из этого красное смещение, а также небольшой вклад дают объекты-преграды, вроде космической пыли, на пути света далеких звезд. Также мы знаем, что в силу ограничения возраста Вселенной, мы можем наблюдать ограниченное число объектов, большая часть из которых недоступна человеческому глазу. Однако, на сегодня, не представляется возможным точно подсчитать, учитывая все упомянутые данные, действительно ли достаточно этих объяснений, чтобы разрешить парадокс Ольберса.

Источник

Поделиться ссылкой:

Источник: hikosmos.ru

Астрономия для детей Ответы на частые вопросы > Почему космос черный

Почему космос черный - объяснение для детей

Почему в космосе темно – описание для детей: прохождение света звезд сквозь атмосферу Земли, процесс рассеивания света газами, расширение и возраст Вселенной.

Расскажем о том, почему космос черный на доступном для детей языке. Данная информация будет полезна детям и их родителям.

Дети знают, что главный источник света и тепла для Земли – это Солнце. Ночью оно «прячется» и мы любуемся темнотой. Поэтому можно предположить, что там, где нет света, есть тьма. Наше Солнце такое же, как и те звезды, которые мы видим ночью. Но тогда, если каждое такое солнце выделяет свет, то почему космос такой мрачный? И как вообще формируется цвет космоса и всей Вселенной?

Чтобы родители или учителя в школе могли объяснить детям ответ, нужно начать с того, почему на Земле так много света и цветов. Нашу планету окружает атмосфера, наполненная пылью, грязью и водными каплями. Когда солнечный свет натыкается на эти объекты, то он рассеивается или же отбивается, создавая различные цвета. Поэтому мы видим голубое небо и замечательные оттенки заката и восхода.

Почему небо черное в космосеЧтобы дать полное объяснение для детей, нужно напомнить, что космическое пространство заполнено газами, но в нем нет атмосферы. Свет путешествует по прямой линии, пока не наткнется на преграду. Космос кажется черным, потому что там нет таких атмосферных элементов, которые задействовали бы процесс рассеивания.

Чтобы было понятно даже для самых маленьких, родители могут объяснить, что у света есть скорость. У лучей с самой дальней галактики уйдет намного больше времени, чтобы добраться к нам. Дети удивятся, но свет, который мы видим от далеких звезд, это лучик, отправленный миллионы или миллиарды лет назад. Получается, что вы смотрите в прошлое.

Ученые давно задались вопросом о черноте пространства. Частицы газа и пыли все же должны давать видимый свет. Существует теория, что Вселенная расширяется от Земли, поэтому свет как бы постоянно удаляется. Длина волны увеличивается, поэтому количество видимого света уменьшается. То же самое повторяется и со звуком. Например, когда вы слышите гудки, то они нарастают по мере приближения машины. Это «эффект Допплера».

Последний пазл загадки заключается в том, что Вселенная не настолько старая, как предполагали раньше. Считается, что ей всего лишь 15 миллиардов лет. Это нет так много, чтобы лучики от всех звезд добрались до нашей планеты. Ученые создали технологию, которая позволяет улавливать свет, невидимый человеческому глазу. Конечно, пространство остается черным, но они различают другие цвета. Это помогло определить газы в туманностях (каждый газ дает свой цвет).

Теперь вы понимаете, почему космос черный. Переходите по следующим ссылкам и узнайте много интересных фактов о космосе, Вселенной, звездах, планетах, черных дырах и прочих загадочных небесных телах с фото, рисунками, видео и 3D-моделями онлайн.

Источник: v-kosmose.com


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.