Kodėl naktį tamsu?

Atrodytų, visai vaikiškas klausimas – kodėl naktį tamsu? Atsakymas juk akivaizdus: Saulė nusileidžia, pasislepia už horizonto, o Mėnulis ir žvaigždės toli gražu neatsveria Saulės šviesos. Bet dar senovės graikai suprato, kad tai greičiausiai nėra galutinis atsakymas. Apie šį klausimą galvojo daugybė astronomų Naujaisiais laikais, kurį laiką jis netgi buvo vadinamas paradoksu, o galutinai išspręstas tik XX a. pradžioje. Tam prireikė netgi kosmologijos žinių. Kur čia slypi tokios įdomybės? Skaitykite žemiau.

Nakties peizažas. Tado Janušonio nuotrauka.

Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų Patreon platformoje – ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti vieno-kito dolerio per mėnesį, paremkite mane ir jūs.

Senovėje žmonės dangų stebėjo tik plikomis akimis, tad matyti galėjo tik apie šešis tūkstančius žvaigždžių. Nors kai kurie Antikos filosofai svarstė galimybę, kad Visata yra begalinė, o žvaigždės iš tiesų yra labai panašios į Saulę, dominuojanti pasaulėžiūra tada buvo geocentrinis kosmoso modelis, kurį sukūrė ir plėtojo įvairūs garsūs filosofai, tokie kaip Aristotelis ir Klaudijus Ptolemėjus. Pagal šį modelį, Žemė yra Visatos centre, aplink ją sukasi Saulė, Mėnulis ir planetos, o viską supa krištolinė sfera, prie kurios pritvirtintos žvaigždės, nejudančios vienos kitų atžvilgiu. Šitaip suprantant kosmoso sandarą, atsakymas, kodėl naktį tamsu, problemų tikrai nesukeltų – žvaigždės yra mažyčiai šviesuliai, toli gražu neprilygstantys Saulei, tad ir apšviesti Žemės negali.

Klaudijaus Ptolemėjaus dar Antikos laikais sudaryta „dangiškųjų sferų“ sistema. Iliustracija iš 1539 m. knygos „Cosmographia“. Šaltinis: Wikimedia Commons

Aristotelio modelis dominavo iki pat Renesanso laikų, kai Kopernikas, Galilėjas ir kiti astronomai po truputį išvystė heliocentrinį modelį. Nuo XVI amžiaus vis drąsiau sklido ir idėja, kad žvaigždės yra panašūs į Saulę kūnai – vienas pirmųjų ją išsakęs buvo Giordano Bruno. Visgi šios hipotezės įrodymui prireikė dar kelių šimtmečių – XIX a. pirmoje pusėje beveik tuo pačiu metu vokietis Friedrichas Besselis, kitas vokietis Friedrichas Struvė ir škotas Thomasas Hendersonas išmatavo trijų žvaigždžių paralaksus ir nustatė atstumus iki jų. Tada buvo galima apskaičiuoti ir žvaigždžių šviesius; paaiškėjo, kad jie panašūs į Saulės.

Nuo Galilėjaus laikų žmonės taip pat žinojo, kad žvaigždžių Visatoje yra daug daugiau, nei matyti plika akimi. Teleskopai, nukreipti kone į bet kurią dangaus vietą, parodė ten esant gausybę žvaigždžių. XIX a. pradžioje sudarytame „Histoire Céleste Française“ kataloge buvo beveik 50 tūkstančių šiaurės pusrutulio žvaigždžių – tuo metu tai buvo gausiausias dangaus katalogas. XIX a. viduryje „Bonner Durchmusterung“ kataloge randama jau daugiau nei 300 tūkstančių, taip pat šiaurės pusrutulio, žvaigždžių. Pirmoje XX a. pusėje žinomų žvaigždžių skaičius perkopė milijoną ir toliau augo nesustodamas. Šio amžiaus pradžioje didžiausi žvaigždžių katalogai išaugo iki daugiau nei milijardo, bet jau seniai žinome, kad tai – tik mažytė dalis visų žvaigždžių netgi Paukščių Take. Mūsų Galaktikoje žvaigždžių yra apie šimtą milijardų, o galaktikų regimojoje Visatoje – apie du trilijonus. Bendra visų galaktikų skleidžiama šviesa turbūt trilijoną trilijonų kartų viršija Saulės šviesą. Kodėl tuomet jų šviesa nenušviečia mūsų dangaus taip pat ryškiai, kaip Saulė?

Hubble teleskopu daryta Ypatingai gilaus lauko nuotrauka. Daugybė tolimų galaktikų mažyčiame dangaus lopinėlyje. Šaltinis: NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) ir HUDF komanda

Prieš išnagrinėdami galutinį atsakymą, dar kuriam laikui grįžkime prie istorijos. Pradėję svarstyti apie hipotezę, jog Visata galbūt yra begalinio dydžio ir pilna į Saulę panašių žvaigždžių, astronomai netrukus priėjo netikėtos išvados: tokioje Visatoje nakties dangus turėtų būti toks pat šviesus, kaip ir dienos. Bene aiškiausiai šią išvadą suformulavo XIX a. astronomas Heinrichas Olbersas. Jei Visata yra begalinė, nekintanti ir daugmaž visur vienoda, tai bet kuria kryptimi nuo Žemės brėždami tiesą liniją, anksčiau ar vėliau pataikysime į žvaigždę. Jei Žemę iš visų pusių pasiekia žvaigždžių, panašių į Saulę, spinduliuotė, tai ir dangus visomis kryptimis turėtų atrodyti toks pat šviesus, kaip ir Saulės paviršius. Tai, kad žvaigždės šviesumas tolstant mažėja kvadratiškai (dvigubai toliau esanti žvaigždė šviečia keturis kartus blyškiau, dešimt kartų tolimesnė – šimtą kartų blyškiau ir taip toliau), problemos neišsprendžia, mat žvaigždžių, taigi ir sklindančios šviesos, tankis auga lygiai taip pat kvadratiškai (dvigubai didesniu atstumu nuo Žemės erdvės yra keturis kartus daugiau, dešimt kartų didesniu atstumu – šimtą kartų daugiau). Akivaizdu, kad ši išvada nėra teisinga – nakties dangus yra tamsus, jame matyti tik keli tūkstančiai pavienių žvaigždžių – todėl klaidinga turi būti bent viena iš trijų prielaidų. Arba Visata nėra begalinė, arba ji nėra visur vienoda, arba ji nėra statiška.

Olberso paradoksą galima palyginti su buvimu miške. Jei miškas pakankamai didelis, tai žiūrėdami bet kuria kryptimi, matysime tik medžius. Jei Visata pakankamai didelė, žiūrėdami bet kuria kryptimi, matysime tik žvaigždes. Šaltinis: Bijotų girios nuotrauka iš 15min.lt.

Yra keletas galimų šio paradokso sprendimo būdų. Pavyzdžiui, galbūt Visatoje yra daug dulkių, kurios užstoja tolimas žvaigždes ir nepraleidžia jų šviesos. Tačiau energija niekur pradingti negali, taigi dulkės, sugėrusios daug spindulių, imtų švytėti pačios, ir grįžtume daugmaž prie pradinės situacijos. Galbūt žvaigždės Visatoje išsidėsčiusios ne vienodai, o fraktališkai, tad kuo didesnį mastelį aprėpiame, tuo mažesnę jo dalį sudaro žvaigždės? Toks modelis gali paaiškinti, kodėl tolimų žvaigždžių šviesa, pasiekianti mus, yra daug silpnesnė, nei Saulės, bet šiandieniniai stebėjimai rodo, kad nors žvaigždės tikrai pasiskirsčiusios netolygiai, jų tankis nėra toks fraktališkas, kad būtų galima paaiškinti šviesos nebuvimą.

Tikrasis atsakymas, kodėl naktį tamsu, paaiškėjo tik XX a. pirmoje pusėje, kai išvystytas besiplečiančios Visatos modelis. Pagal šį modelį, Visatos erdvė nuolatos plečiasi, todėl tolimos galaktikos, atrodo, tolsta nuo mūsų. Tolstantys objektai parausta, kitaip tariant, iš jų atsklindančios šviesos bangos ilgis išauga, o energija – sumažėja. Šis pokytis, vadinamas raudonuoju poslinkiu, kosmologijoje aiškinamas tuo, kad fotono bangos ilgis padidėja kartu su Visatos erdve. Taigi toli esančių žvaigždžių spinduliuotė tampa žymiai raudonesnė ir mažiau energinga, nei artimų, o energijos sumažėjimas nusveria jų skaičiaus didėjimą, tolstant nuo Žemės.

Įdomu, kad šis paaiškinimas veikia nepriklausomai nuo to, ar Visatos amžius yra baigtinis, ar begalinis. Net jei Visata būtų begalinio amžiaus, tolimoje praeityje žvaigždžių išspinduliuota šviesa prie mūsų dangaus apšvietimo prisidėtų tiek nežymiai, kad negalėtume jo atskirti nuo 14 milijardų metų amžiaus Visatos skleidžiamos šviesos.

O kaip yra su Olberso suformuluotomis prielaidomis? Aukščiau pateiktam atsakymui tereikia paneigti vieną – Visatos statiškumo – prielaidą. Net jei Visata būtų visur identiška ir begalinė, tolimų žvaigždžių judėjimas paaiškina, kodėl jų nebematome. Visgi šiandieninė kosmologija, galima sakyti, paneigia ir kitas dvi prielaidas, tik gal ne taip akivaizdžiai, kaip statiškumo. Taip, formaliai Visata greičiausiai yra begalinė, o Visatos vienodumas visose vietose (homogeniškumas) ir visomis kryptimis (izotropiškumas) yra mūsų supratimo apie ją pagrindas, vadinamas Kosmologiniu principu. Tačiau kai kalbame apie žvaigždes, jų skleidžiamą šviesą ir galimybę tą šviesą pamatyti, Visata tampa ir apribota, ir nevienoda. Dėl to kaltas baigtinis šviesos greitis, baigtinis Visatos amžius ir jos plėtimasis. Signalus galime gauti tik iš riboto, nors ir labai didelio, erdvės regiono, kurį vadiname Regimąja Visata. Objektai, esantys už jos ribų, niekaip negali paveikti mūsų matomo dangaus šviesumo. Be to, tolimus objektus matome tokius, kokie jie buvo praeityje, taigi iš tolimos Visatos atsklindanti šviesa yra kitokia net ir neįskaitant jos paraudimo dėl Visatos plėtimosi.

Visatos evoliucijos schema. Kuo toliau žiūrime, tuo senesnę ir primityvesnę Visatą matome. Pakankamai tolimi stebėjimai leidžia pažvelgti į laikus prieš susiformuojant pirmosioms žvaigždėms. Iliustraciją radau Bonos universiteto tinklalapyje, originalaus šaltinio rasti nepavyko.

Pabaigai – įdomus pastebėjimas, kad nakties dangus ne visame elektromagnetinių bangų spektre yra vienodai tamsus. Regimųjų ir gretimų jiems – infraraudonųjų, ultravioletinių – spindulių ruože dominuoja žvaigždžių spinduliuotė, o dangus yra vidutiniškai kelis trilijonus kartų tamsesnis, nei Saulė. Bet kai kuriais kitais atvejais skirtumas gali būti daug mažesnis. Pavyzdžiui, kosminė foninė mikrobangų spinduliuotė intensyviausia yra maždaug ties 2 mm bangos ilgiu; nors Saulės ji šiame ruože nenustelbia, visgi tėra tik šimtą kartų blausesnė už mūsų žvaigždę. Palyginimui Mėnulio pilnatis už Saulę blausesnė 400 tūkstančių kartų. Taigi jei mūsų akys būtų jautrios 2 mm ilgio spinduliuotei, naktį matytume visą dangų apimantį tolygų švytėjimą. Taip pat visas dangus švyti ultravioletinių spindulių ruože, ties maždaug 121 nanometro bangos ilgiu. Tokią šviesą skleidžia jonizuotas vandenilis, o bet kuria kryptimi nuo Žemės rasime bent vieną, o dažnai ir daugiau, tokios spinduliuotės šaltinių. Daugiausiai tai yra tolimas galaktikas supančių dujų halų spinduliuotė. Ji toli gražu nenustelbia Saulės, bet vidutinis jos intensyvumas už Saulės yra mažesnis maždaug tiek kartų, kiek vidutinio (trečio) ryškio žvaigždės šviesis mažesnis už Saulės regimųjų spindulių ruože. Taigi jei galėtume matyti 121 nanometro spinduliuotę, nakties dangus irgi šiek tiek švytėtų, nustelbdamas dalį žvaigždžių.

Laiqualasse

17 komentarų

  1. Sveiki,
    Lygiai taip pat neiseina vis is galvos klausimas: kaip astronomai nustato konkrecios zvaigzdes raudona poslinki? Juk sviesa ir spinduliai apima sfera ir visu zvaigzdziu spinduliai persipina kol iki musu ateina.

    1. Žvaigždės šviesa sklinda visomis kryptimis vienodai ir jei neatsimuša į ką nors, tai sklinda tiesiai. Todėl kai stebime žvaigždę, matome tos žvaigždės šviesą, o ne kitų. Kai stebime tolimą galaktiką, dažnai matome susiliejusią visų jos žvaigždžių šviesą, tiesiog todėl, kad teleskopais negalime išskirti tokių mažų dangaus skliauto plotelių, kad izoliuotume pavienes žvaigždes. Bet tolimoje galaktikoje visos žvaigždės tolsta nuo mūsų panašiai sparčiai (dėl galaktikos judėjimo), o žvaigždžių savieji judėjimai yra mažesni ir nukreipti įvairiomis kryptimis. Galaktikos spektre žvaigždžių savieji judėjimai matomi kaip spektro linijos išplitimas, o galaktikos judėjimas – kaip linijos poslinkis.

      1. Begaliniame kosmose žvaigždžių tranzitai turi būt kasdienybė, bet kai vienos žvaigždės tuo pačiu tolyn, o kitos artyn, tai jų spektrų atstojamosiose daaaaug neaiškumų.

  2. Tai po kiek makaronai liaudžiai?.. Nes aklai it papūgoms kartot tai ką kažkada kažkokios ‘galvos’ pasakė, primena senuosius laikus kai inkvizitoriai Galileo ant laužo kėlė. NES: jei sakom kad “Visatos erdvė nuolatos plečiasi“ (BŪTENT, erdvė!), tai niekas niekur netolsta, tai tolygu erdvės iškreivinimui palei masyvius objektus; NETINKA kosmoso ‘juodumą’ aiškint per BB (tai TIK hipotezė, kurią LAIKAS paneigt!), ir TOTALI nesąmonė kad „Signalus galime gauti tik iš riboto, nors ir labai didelio, erdvės regiono, kurį vadiname Regimąja Visata. Objektai, esantys už jos ribų, niekaip negali paveikti mūsų matomo dangaus šviesumo“ – JEI kažkada objektas buvo regimas, jis gali dingt TIK prapuolęs už įvykių horizonto (nors ir vėl – mes DABAR stebim NET ir tuos objektus kurie JAU už to horizonto dingo!), mes DABAR regim IR tai ko jau nėra, tai TE ir buvusios žvaigždės ŠVIEČIA. Na o GALIAUSIAI visas tas pasakėles PANEIGIA ir šitai: „įdomus pastebėjimas, kad nakties dangus ne visame elektromagnetinių bangų spektre yra vienodai tamsu“ – t.y., 121 nanometro spinduliuotei (pvz.) kažkodėl tai nebereikia NEI Visatos statiškumo, nei jos begališkumo ar homogeniškumo.

    1. Man atrodo, kad jūs dėl kažko labai nerimaujate. Siūlau nurimti, perskaityti tekstą dar kartą, o tada, jei jau kyla klausimų, klausti. Nes sudėtinga atsakyti į tokią maišalynę, kokią dabar surašėte.

      1. Kaip straipsny mišrainė, taip ir replika į jį apie viską. Trumpai – negalima ‘tamsos’ paaiškinti argumentais, kurie netinkami VISAM spektrui. (taip pat TIK kliedesiai apie ‘dingstančią’ Regimąją visatą (kai kalbam NE apie Juodąją skylę), bet čia jau visai kiti klausimai, čia jau plačiau).

        1. Jei jums regimosios Visatos mažėjimas ir objektų pabėgimas už kosmologinio horizonto atrodo kliedesiai, tai jums kosmologijos pasimokyti reikia :)

          1. Šiaip tai… yra toks dalykas kaip SVEIKAS protas ir MĄSTYMO dovana; kai visa tai pakeičiama į sąvoką ‘ŽIRAF bolšoj’, tai – LIŪDNA. Nes… iš to kaip bandoma ‘aiškinti’ visuotinį plėtimąsi jį sukergt su BB (kas šiaip – NEĮTIKĖTINA: „Viskas nuo stebėtojo TOLSTA!“), tai – kai kiekvienas erdvės taškas yra to BB šaltinis, tai ir beprasmiška kalbėt kad iš vieno ‘taško’ (esant vienoje pusėje Saulės) mes matom VIENĄ Visatą, o būdami kitame (kitoje pusėje Saulės), mes jau MATOM visai kitą Visatą (aišku, čia reikia kalbėt galaktikų mastais). Tiesiog – JEI turim du stebėtojus, ABIEJŲ ‘pasiekiami’ erdvės taškai yra tapatūs (kaip kitaip su INFORMACIJOS dingimu kvantiniu požiūriu?), TIK įvykių horizontas gali kai ką nuo mūsų akių pradangint: AR jau turim ‘regimosios visatos’ įvykių horizonto sąvoką, AR, ‘iškritus’ iš ‘regimosios visatos’ galima į ją sugrįžt, kiek tam energijos reiktų? O jei TAI TIK santykinė sąvoka, tai – GAL tada ir BH ‘įvykių horizontas’ – TIK santykinis objektas?

            1. Taip, sveikas protas ir mąstymo dovana yra labai geri dalykai, tik reikia mokėti juos naudoti ir suprasti, kur mūsų smegenys mus apgaudinėja :)
              Neįtikėtina, kad viskas nuo stebėtojo tolsta? Galbūt. Bet taip jau yra. (Na, techniškai šnekant, tai ne viskas, tik pakankamai tolimos galaktikos, kurios nesurištos gravitaciškai su mūsų Paukščių Taku)
              „kiekvienas erdvės taškas yra to BB šaltinis“ – iš esmės taip. Didysis sprogimas neturėjo kokio nors identifikuojamo centro, ir Visatos plėtimasis yra becentris.
              „JEI turim du stebėtojus, ABIEJŲ ‘pasiekiami’ erdvės taškai yra tapatūs“ – ne, nėra. Tai, kad visa Visata kadaise buvo vienas taškas, nereiškia, kad visi šiandieniniai taškai yra priežastiniame kontakte („causal contact“ – iš esmės tai reiškia tą patį, ką pasakymas „visus taškus galime matyti iš visur“).
              „AR jau turim ‘regimosios visatos’ įvykių horizonto sąvoką“ – taip, tam tikras įvykių horizontas egzistuoja ir regimajai Visatai, ne tik juodosioms skylėms.
              „AR, ‘iškritus’ iš ‘regimosios visatos’ galima į ją sugrįžt“ – yra erdvės regionas, kuriame esančių objektų kadaise išspinduliuota šviesa mus šiandien dar pasiekia, nors šiandien tų objektų išspinduliuojama šviesa jau mūsų niekad nepasieks. Tai tas regionas kaip ir už regimosios Visatos ribų, bet buvo laikas, kai jame esantys objektai galėjo savuoju judėjimu sugrįžti į mūsų regimąją Visatą.
              „O jei TAI TIK santykinė sąvoka“ – jei jūs apie sąvoką „regimoji Visata“, tai taip, ji yra santykinė: kiekvienas pakankamai toli esantis stebėtojas mato vis kitokią regimąją Visatą.
              „GAL tada ir BH ‘įvykių horizontas’ – TIK santykinis objektas?“ – juodosios skylės įvykių horizontas yra vienodas visiems stebėtojams, esantiems juodosios skylės išorėje, taigi jis yra daug labiau absoliutus, nei regimosios Visatos riba.

              1. Deja, VIEN makaronai, ir – AKLAS vergavimas kažkokiems ESĄ ‘autoritetams’ (principu ‘Žiraf bolšoj’), KARTOJASI viduramžiai kai už nepritarimą kad Saulė aplink Žemę sukas laužas grėsė (kurį ten dabar iš mokslininkų išmetėt už didesnį už šviesą greitį?). Juk ir čia – KLIEDESIAI apie ‘regimosios visatos pabaigą’ – PIRM, tai nesąmonė (Einšteino išorinio stebėtojo principas čia LABAI tinka!), tuo labiau tai NETINKA nagrinėjamam klausimui ‘Kodėl naktį tamsu’ – JEI mums žvaigždė šviečia (beje, NET ir regimojoje visatoje jos gali būt jau užgesusios), KOL šviesa mus pasiekia, TOL kiekviename taške YRA (na, matom!) tas šviesulys, TOL kosmosas turi ŠVIEST. O dėl BB – JEI kalbam apie erdvėlaikio gimimą, tai – KOL nėra erdvės, nėra ir judėjimo, ir NIEKAS niekame plėstis negali!

  3. Deja, VIEN makaronai, ir – AKLAS vergavimas kažkokiems ESĄ ‘autoritetams’ (principu ‘Žiraf bolšoj’), KARTOJASI viduramžiai kai už nepritarimą kad Saulė aplink Žemę sukas laužas grėsė (kurį ten dabar iš mokslininkų išmetėt už didesnį už šviesą greitį?). Juk ir čia – KLIEDESIAI apie ‘regimosios visatos pabaigą’ – PIRM, tai nesąmonė (Einšteino išorinio stebėtojo principas čia LABAI tinka!), tuo labiau tai NETINKA nagrinėjamam klausimui ‘Kodėl naktį tamsu’ – JEI mums žvaigždė šviečia (beje, NET ir regimojoje visatoje jos gali būt jau užgesusios), KOL šviesa mus pasiekia, TOL kiekviename taške YRA (na, matom!) tas šviesulys, TOL kosmosas turi ŠVIEST. O dėl BB – JEI kalbam apie erdvėlaikio gimimą, tai – KOL nėra erdvės, nėra ir judėjimo, ir NIEKAS niekame plėstis negali!

    1. Ar nuo to, kiek žodžių parašote didžiosiomis raidėmis, pakyla jūsų savivertė? :)

      1. Kai nėra ką iš esmės atsakyt reikia prisikabint kad BB iš didžiųjų raidžių?.. (šiaip, elementarus teksto formatavimas: BOLD, Italic ir panašiai, kas tame nepatinka?)

        1. Kai klausime nėra jokios substancijos, bandau suprasti, kame psichologinės jūsų nepasitenkinimo šiuolaikiniu mokslu šaknys, ir tiek ;)

          1. LABIAUSIAI nepatinka ‘Žiraf bolšoj’ (V.Vysockis) principas: kažkas kažkada PASAKĖ kad Žemė – pasaulio centras, tai – „Su tuo nesutinkantys – į laužą“ (juk visuotinę tvarką išlaikyt reikia). Tas pats ir su šia ‘nakties tamsa’ – KABINA mums makaronus, ir – PYKSTA kad su tuo nenorima sutikt. Juk ir su tuo ‘regimosios visatos horizontu’ – kažkoks ‘inkvizitorius’ taip pasakė ir- ŠVENTA. BET – tai KLIEDESIAI (pritaikykit Einšteino metodą, prijunkit ‘išorinį stebėtoją’ ir…) – bet – juk paprasčiau -žirafą mėgdžiot, o ne pačiam MĄSTYT (ir vėl panaudojau didžiąsias raides. Bet ką daryt kai stručiai užknisa).

              1. Koks skirtumas kokiu vardu tuos NEprotaujančius įvardyt – tai it viduramžių inkvizitoriai, ir nereikia čia sliekų ieškot.

Komentuoti: Laiqualasse Atšaukti atsakymą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.