Для начала давайте пофантазируем. Допустим, что Вселенная существует бесконечно долго. Тогда свет от любой звезды, даже самой удаленной, уже достиг нашей планеты. Добавим условие, что все наши небесные светила полностью неподвижны. Ограничим это пространство условной сферой, в центр которой поместим Землю. Если радиус этой сферы составляет, скажем, 10 световых лет, то внутри нее окажется примерно 12 звезд. Разумеется, на таком расстоянии большинство из них будут выглядеть достаточно тускло.
Если в космосе так много звезд, почему небо темное? Эффект Доплера
Только в наблюдаемом нами участке Вселенной сияет около 200 миллиардов триллионов звезд, а многие из них не уступают в яркости нашему Солнцу. Получается, небо должно быть ослепительно белым — почему мы видим лишь черную бездну? Конечно, можно все списать на огромные расстояния: далекие звезды действительно тусклее. Однако это только часть разгадки...
GettyImages
Звезда, расположенная в 10 раз дальше, выглядит в 100 раз тусклее.
Звезда Шольца
Если начать постепенно «надувать» эту сферу и увеличивать ее радиус — сначала до 1000, потом до миллиона и, наконец, до миллиарда световых лет, самые далекие звезды (те, что на границе сферы) будут казаться нам все более тусклыми. Однако есть важный нюанс — с увеличением объема сферы количество звезд внутри нее будет расти в кубической прогрессии. Каждая из этих звезд, будучи очень слабой в отдельности, все же вносит свой вклад в общий световой поток, который направлен к центру.
Световой год это единица расстояния, а не времени. Один световой год равен 9 460 730 472 580 800 метрам.
Возникает парадокс: с одной стороны яркость каждого удаленного источника уменьшается, но количество этих источников растет настолько быстро, что в рамках этой статичной и бесконечно старой модели условная сфера должна излучать ослепительно яркий свет. Может показаться, что мы вернулись к исходной точке, но на самом деле этот мысленный эксперимент дал нам возможность выявить ключевые условия, при которых реальная Вселенная это противоречие обходит.
Возраст решает
Итак, в нашей фантазии предполагалось, что Вселенная статична и существует вечно, что, как вы понимаете, на деле совсем не так — Вселенная имеет конечный возраст.
Примерный возраст Вселенной — 13,8 миллиардов лет.
С человеческой точки зрения это просто очень много, а с астрономической это всего лишь отметка, которая ограничивает размер наблюдаемой области пространства — той самой условной сферы. Из этого фундаментального факта следует, что свет от объектов, которые удалены более чем на 13,8 миллиардов световых лет, просто не успел достичь нашей планеты. Получается, что мы можем наблюдать лишь те звезды и галактики, которые находятся внутри условной сферы (кстати, ее придумали не мы — ее часто называют сферой Хаббла) с радиусом, равным возрасту Вселенной.
Крупномасштабное изображение обозримого участка Вселенной. Самые яркие галактики отмечены синим, а самые тусклые — красным. Темное пятно сверху — расположение Млечного пути, пыль которого мешает наблюдениям.
Внутри этой конечной области пространства количество звезд, хотя и невообразимо велико, все же ограничено. Их недостаточно для того, чтобы заполнить светом абсолютно каждую линию зрения. Поэтому, глядя в ночное небо, наблюдатель видит мозаику: в одних направлениях взгляд встречает звезды или галактики, а в других упирается в темноту. Эти темные участки соответствуют тем областям, где потенциально существующие звезды находятся настолько далеко, что их свет еще только в пути к нам.
С течением времени, по мере «раздувания» этой наблюдаемой сферы, свет от все более удаленных объектов будет достигать Земли, постепенно заполняя темные участки неба. Однако из-за ускоренного расширения Вселенной существует теоретический горизонт, за который свет никогда не сможет к нам попасть, что означает, что часть космоса навсегда останется для нас непроглядной тьмой.
Что такое эффект Доплера
Вы, конечно спросите: когда свет от самых далеких звезд наконец достигнет Земли, не станет ли ночное небо со временем полностью светлым? Однако ответ на него возвращает нас к ключевому условию нашей модели — представлению о статичности звезд. Реальная Вселенная не статична, она расширяется, причем самые далекие галактики удаляются от нас с скоростями, близкими к скорости света.
Это стремительное удаление приводит к важному физическому эффекту — доплеровскому смещению или эффекту Доплера. Из-за него свет, испускаемый звездами таких далеких галактик, смещается в невидимую для человеческого глаза область спектра, главным образом в инфракрасный и радио-диапазоны. Получается, что даже если бы у фотонов было достаточно времени, чтобы преодолеть эти гигантские расстояния, мы не смогли бы увидеть этот свет напрямую. Именно поэтому ночное небо никогда не станет сплошным ослепительно ярким полотном.
Схематичное изображение эффекта Доплера
У эффекта Доплера есть и вполне земное проявление. Его классический пример — изменение звука сирены приближающейся и удаляющейся машины экстренной службы. При приближении звуковые волны сжимаются движением источника, что приводит к увеличению их частоты — мы слышим более высокий тон. Когда же машина проезжает мимо и становится все дальше, волны, наоборот, растягиваются, и их частота снижается — тон сирены становится ниже.
В общем, черный бархат космоса — это вовсе не пустота, а конечная сфера видимости, гигантская карта времени и пространства. И если бы она была совсем без «темных пятен», изучать стало бы уже не так интересно!