Dlaczego w nocy niebo jest czarne? Odpowiedź jest dziwniejsza niż myślisz

W nocy nie świeci Słońce (nie oświetla widzianej przez nas części nieba), więc atmosfera staje się przezroczysta i zaczynamy widzieć gwiazdy usiane na czarnym niebie. Dlaczego niebo jest czarne? Nie oświetla go Słońce, to już wiemy, ale jeśli w kosmosie jest tyle gwiazd, to czy nie powinny one równomiernie pokrywać nocnego nieba, tak by miało ono biały kolor?

Pomyślmy chwilę o niebie jak o lesie. Stojąc na skraju lasu, nie widzimy tego, co dzieje się na jego drugim końcu. Drzew w lesie jest tak dużo, że ustawiają się w jednolitą ścianę. Czy podobnie nie powinno być z gwiazdami na niebie? Przecież jeśli wszechświat istniałby od zawsze (tak postrzegano go dawniej), to światło od najdalszych nawet gwiazd i galaktyk powinno mieć wystarczająco dużo czasu, by dotrzeć do Ziemi i równomiernie pokrywać całe nocne niebo.

Statyczny, nieskończenie stary wszechświat z nieskończoną liczbą gwiazd rozmieszczonych na nieskończenie dużej przestrzeni byłby więc jasny, a nie ciemny. W jakimkolwiek kierunku byśmy nocą na niebo nie spojrzeli, nasz wzrok powinien natrafić na gwiazdę. Nocne niebo powinno więc świecić jednostajnym blaskiem wypełniających je gwiazd. W nocy powinno być tak jasno jak w dzień. Dlaczego tak się nie dzieje?

Więcej ciekawostek o nocnym niebie znajdziesz na Spider's Web:

Na to pytanie filozofowie i naukowcy próbowali odpowiedzieć od wieków. Już w 1610 r. włoski astronom i fizyk Galileusz Galilei zapytał, dlaczego niebo jest ciemne, gdyż według modelu heliocentrycznego, który popierał, wszechświat powinien być pełen gwiazd. W XVIII wieku podobne pytania zadawali sobie również inni uczeni, tacy jak Edmond Halley, Jean-Philippe de Cheseaux czy Thomas Digges.

W 1823 r. niemiecki astronom Heinrich Wilhelm Olbers jako pierwszy sformułował problem, który nazwano później paradoksem Olbersa. Zapytał on, dlaczego niebo jest ciemne, jeśli wszechświat jest nieskończony, statyczny i jednorodny, a więc zawiera nieskończoną liczbę gwiazd rozłożonych równomiernie we wszystkich kierunkach. Według jego rozumowania, jeśli tak jest, to każdy kierunek, w którym patrzymy, powinien kończyć się na powierzchni jakiejś gwiazdy, a więc niebo powinno być jasne jak słońce. Fakt, że niebo jest ciemne, stanowił więc sprzeczność z ówczesnymi założeniami o wszechświecie.

Wyjaśnienie tego problemu znalazł dopiero w latach 20 XX w. Edwin Hubble. To dzięki niemu wiemy, że wszechświat cały czas się rozszerza. Co więcej, nie jest on nieskończenie stary, ale musiał kiedyś powstać w postaci Wielkiego Wybuchu, co sformułował Georges Lemaitre. A więc ciemność nocnego nieba jest jednym z dowodów na dynamiczny wszechświat i model Wielkiego Wybuchu. 

Wszechświat rozszerza się od momentu Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce około 13,8 mld lat temu. Rozszerzanie się wszechświata oznacza, że odległości między galaktykami, gwiazdami i planetami stale rosną. Wraz ze wzrostem odległości, światło musi pokonać większą drogę, aby dotrzeć do naszego oka. To sprawia, że widzieć możemy tylko tak zwany obserwowalny wszechświat. Wszystko inne ukryte jest za horyzontem zdarzeń.

Horyzont zdarzeń to granica, za którą nie możemy zobaczyć niczego, co dzieje się we wszechświecie. Jest to spowodowane przez ograniczoną prędkość światła, która wynosi około 300 000 km/s. Oznacza to, że światło potrzebuje czasu, aby dotrzeć do nas z odległych miejsc. Na przykład, światło z najbliższej gwiazdy poza Słońcem, Proxima Centauri, dociera do nas po około 4 latach.

Światło z najdalszych obserwowanych galaktyk dociera do nas po około 13 mld lat. Jednak, ponieważ wszechświat się rozszerza, istnieją miejsca, z których światło nigdy nie dotrze do nas, ponieważ odległość między nimi a nami rośnie szybciej niż prędkość światła. Te miejsca znajdują się za horyzontem zdarzeń i są dla nas niewidoczne.

Pamiętajmy przy tym, że nie oznacza to, że są obiekty, które pędzą szybciej niż światło. To sama przestrzeń nieustannie się rozszerza, co sprawia, że im dalej znajduje się od nas galaktyka, tym szybciej się od nas oddala.

Rozszerzanie się Wszechświata ma istotny wpływ na obserwowane przez nas światło. Zgodnie z efektem Dopplera, światło emitowane przez ruchome źródło zmienia swoją długość fali w zależności od kierunku i prędkości ruchu. Jeśli źródło się oddala, światło staje się czerwieńsze, jeśli się zbliża, staje się niebieskie. To zjawisko nazywamy przesunięciem ku czerwieni lub ku niebieskiemu.

Przesunięcie ku czerwieni obserwujemy w widmach odległych galaktyk, co świadczy o tym, że uciekają one od nas. Im dalej jest galaktyka, tym większe jest jej przesunięcie ku czerwieni i tym słabiej świeci. Dlatego też nie widzimy światła z galaktyk, które są zbyt odległe i zbyt szybko się oddalają. Ich światło nie dociera do nas, ponieważ przekracza horyzont zdarzeń, czyli granicę, za którą nic nie może być obserwowane.

Innym czynnikiem, który wpływa na ciemność nieba, jest wiek Wszechświata. Wszechświat powstał około 13,8 mld lat temu w wyniku Wielkiego Wybuchu, czyli gwałtownej eksplozji materii i energii. Oznacza to, że światło, które do nas dociera, pochodzi z ograniczonego obszaru i czasu. Nie widzimy światła z galaktyk, które są dalej niż 13,8 miliarda lat świetlnych, ponieważ nie zdążyło ono do nas dotrzeć.

Tak więc niebo w nocy jest czarne, ponieważ nie świeci Słońce, a wszechświat ma skończony wiek i nieustannie się rozszerza. To dlatego światło z nieskończonej niemal liczby galaktyk i gwiazd nie zdążyło i nigdy nie zdąży dotrzeć do Ziemi, tak aby wypełnić każdy skrawek nocnego nieba.