Kodėl naktį tamsu? Bendra visų galaktikų skleidžiama šviesa turbūt trilijoną trilijonų kartų viršija Saulės šviesą, tai kur ji pradingsta?

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.

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?

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.

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.

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.