paradoks olbersa

MiniNauka #10: Paradoks Olbersa, czyli dlaczego nocne niebo jest ciemne

Wiemy, że Wszechświat istnieje od miliardów lat. Wiemy też, że wypełniają go miliardy galaktyk zawierających miliardy świecących gwiazd. Dlaczego więc, gdy tarcza Słońca znajduje się po drugiej stronie planety, na Ziemi panują nieprzeniknione ciemności? To pytanie zadał sobie w latach dwudziestych XIX wieku niemiecki astronom Wilhelm Olbers, a my dzisiaj spróbujemy na nie odpowiedzieć.

Reklama

Na samym początku uprzedzam, że paradoks został sformułowany już jakiś czas temu i z tego powodu jego założenie może brzmieć nieco dziecinnie. Olbers zakładał bowiem nieskończoność oraz jednorodność Wszechświata, natomiast nasz aktualny stan wiedzy mówi o skończoności i niejednorodności, przynajmniej w przypadku materii. Jednakże paradoks jest tylko pretekstem do wytężenia wyobraźni, nie przedłużajmy więc tego wstępu i zaczynajmy.

Reklama

Wielki Big Bang

Wszystko zaczęło się od Wielkiego Wybuchu i nie jest to artystyczna metafora – z początkowej osobliwości powstała nie tylko cała przestrzeń, ale również czas, wobec tego w typowym rozumieniu nie możemy mówić o czasie „przed” początkiem. O osobliwości pisałem przy okazji poprzedniego odcinka traktującego o czarnych dziurach. Dla przypomnienia – jest to miejsce, w którym ogromne ilości materii zgromadzone są w nieskończenie małym punkcie, co w efekcie daje nieskończoną gęstość w tym punkcie. Zdaję sobie sprawę, że wyobrażanie sobie „nieskończoności” to zadanie dość karkołomne, ale nie zrażajmy się tym i chodźmy dalej.

Hipotetycznie osobliwość spełnia warunki do tego, by mógł się z niej narodzić cały Wszechświat. Piszę „hipotetycznie”, ponieważ sam Wielki Wybuch również jest hipotetyczny – to najlepiej udowodniona i przestudiowana teoria (nie teoria naukowa!) powstania Wszechświata, natomiast wciąż nie mamy pewności, czy mimo wszystko czegoś nie przeoczyliśmy. Wszystko zdaje się jednak wskazywać, że mamy rację, a wyniki pewnych badań z lat 2012-2013 (o badaniach później) dołożyły do tej racji kolejną cegiełkę. W jednym z poprzednich odcinków przewinął się temat mikrofalowego promieniowania tła, które jednorodnie wypełnia cały Wszechświat – wytłumaczyliśmy sobie, że ta jednorodność wynika z faktu rozszerzania się Wszechświata. To tak, jakby mieć elastyczne opakowanie wypełnione jakimś gazem, a następnie je rozszerzyć – gazu będzie tyle samo, natomiast w każdym punkcie opakowania będzie on znacznie rzadszy.

Mikrofalowe promieniowanie powstało jednak w Wielkim Wybuchu, natomiast od tego wydarzenia minęło naprawdę sporo czasu. Niezliczone ilości gwiazd zdążyły się narodzić i efektownie umrzeć, zaś podczas życia emitowały one w przestrzeń mnóstwo fotonów w całym spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Tymczasem, jak wynika z tytułu, tego światła widzialnego nie ma tak dużo, bo… w nocy jest ciemno, prawda? Tylko czy na pewno ciemność oznacza pustkę?

paradoks olbersa
Czyż nie pięknie wyglądałoby nocne niebo, gdybyśmy widzieli coś takiego?

Pozagalaktyczne światło tła

EBL, czyli extragalactic background light, to światło składające się z wszystkich fotonów wyemitowanych w trakcie całej historii Wszechświata przez wszystkie dotąd istniejące gwiazdy i galaktyki we wszystkich zakresach promieniowania. Brzmi to dość dziwnie, natomiast chodzi po prostu o całe promieniowanie przemierzające Wszechświat. Już w latach 60. ubiegłego wieku, kiedy to kosmologia przestała być filozofią i stała się nauką opartą na faktach obserwacyjnych, badacze zauważyli, że Wszechświat nie jest całkiem pusty. Wypełnia go swoisty rozrzedzony „gaz” fotonów pędzących w dosłownie każdym kierunku. Częścią tego gazu jest zarówno EBL, jak i mikrofalowe promieniowanie tła, przy czym to drugie jest najbardziej widoczne.

Ktoś może zapytać – dlaczego to są dwie różne rzeczy, skoro obie polegają na tym, że przez kosmos leci sobie fala elektromagnetyczna? To dość proste – mikrofalowe promieniowanie tła powstało w trakcie Wielkiego Wybuchu i od tego czasu pozostaje takie samo, natomiast EBL jest dynamicznie budowane przez każdy kolejny foton wyemitowany z każdej gwiazdy we Wszechświecie. Wyzwaniem okazało się odróżnienie tych dwóch rzeczy. Ponieważ Ziemia znajduje się w dość jasnej galaktyce, konieczne było wyodrębnienie poszczególnych źródeł promieniowania. W jaki jednak sposób odkryć, że obserwowane promieniowanie pochodzi z galaktyki oddalonej o sto tysięcy lat świetlnych, a jakie z tej oddalonej o dwieście tysięcy lat świetlnych? Jeśli śledzicie kosmiczne nowinki, to z pewnością w oczy rzuciło Wam się sformułowanie „przesunięcie ku czerwieni”.

Aby zrozumieć, czym owo przesunięcie jest, wykonajmy proste ćwiczenie myślowe. Wyobraźcie sobie kawałek spiralnej sprężynki o jakiejś długości – sprężyna będzie odwzorowaniem fali elektromagnetycznej wędrującej z punktu początkowego do punktu końcowego. Teraz rozciągnijcie nieco sprężynę – odległość między dwoma punktami zwiększyła się, chociaż sprężyna cały czas pozostaje ta sama. Gdyby sprężyna rzeczywiście była falą elektromagnetyczną, nastąpiłoby przesunięcie ku czerwieni – innymi słowy zwiększyłaby się długość fali (odległość między dwoma punktami w takiej samej fazie, na przykład dwoma wierzchołkami), a zmniejszyła jej częstotliwość. W praktyce oznacza to, że jeśli gwiazda wyemituje światło widzialne, to wraz ze wzrostem odległości światło będzie pierw coraz bardziej czerwone, aż w końcu przejdzie w podczerwień, której nie zobaczymy ludzkimi oczami. Oczywiście jest do tego potrzebny ruch, ale ponieważ Wszechświat cały czas się rozszerza, to ten warunek jest spełniony. Każdy z nas uczył się o tym w szkole, ponieważ przesunięcie ku czerwieni to nic innego, jak inna postać efektu Dopplera, o którym na lekcjach uczy się na przykładzie zmiany natężenia dźwięku. Dla dopełnienia dodam tylko, że w przypadku fal elektromagnetycznych nazywa się to relatywistycznym efektem Dopplera, ale cały czas mamy do czynienia z tym samym zjawiskiem.

paradoks olbersa
Dla ułatwienia zerknijcie sobie na spektrum promieniowania elektromagnetycznego. Widać wyraźnie, że im bardziej rozciągnięta sinusoida, tym większe przesunięcie ku czerwieni, mniejsza częstotliwość oraz mniejsza temperatura. / grafika via Wikipedia

Jak wykryć EBL?

Astronomowie pogodzili się już z faktem, że bezpośrednie wykrycie EBL jest niemożliwe z powierzchni Ziemi. W dzień naturalnie przeszkadza blask Słońca, w nocy zaś okazuje się, że nawet blask Drogi Mlecznej uniemożliwia wykrycie fotonów EBL. Dlatego też dopiero wyniesienie na orbitę Kosmicznego Teleskopu Hubble’a w 1990 roku pozwoliło rozpocząć obserwacje. Na podstawie wspomnianego przesunięcia ku czerwieni udało się z pewnym przybliżeniem ustalić dolną oraz górną granicę dla jasności pozagalaktycznego światła tła. Granice okazały się jednak mało precyzyjne, ale skoro zostały ustalone dzięki danym z najlepszych teleskopów, to skąd wiemy, że są mało precyzyjne? Szach, mat? Niezupełnie.

Jeszcze w latach 60. ubiegłego wieku część astronomów zaczęła zastanawiać się nad możliwością wykrycia EBL nie za pomocą bezpośrednich obserwacji, ale poprzez obserwacje reakcji fotonów EBL z fotonami promieniowania, które znacznie łatwiej zauważyć. W 1992 roku Kosmiczny Teleskop Comptona zaobserwował po raz pierwszy obiekt, który został nazwany blazarem (artystyczna wizja na zdjęciu pod tytułem artykułu). Obecnie wiemy, że blazary to takie galaktyki aktywne, których źródło promieniowania pochodzi głównie ze strumienia materii wyrzucanego z biegunów jądra. Innymi słowy, taką galaktykę widzimy głównie dzięki energii zgromadzonej w jądrze galaktyki, a nie poprzez energię wszystkich jej składników. Ów strumień materii nazywa się dżetem, zaś warunkiem wykrycia jest skierowanie dżetu w stronę obserwatora z dopuszczalnym odchyleniem zaledwie kilku stopni. Oznacza to, że nie jesteśmy w stanie wykryć wszystkich blazarów, niemniej te, które znamy, w zupełności wystarczyły do poszerzenia naszej wiedzy na temat EBL.

W gruncie rzeczy sprawa jest dość prosta. Gdy odległy blazar emituje skierowane w naszym kierunku promieniowanie gamma, część fotonów tego promieniowania zderza się z pędzącymi w każdym kierunku fotonami EBL. W wyniku zderzenia dwóch takich fotonów dochodzi do ich anihilacji oraz do powstania elektronu i pozytonu. W efekcie tego promieniowanie, jako całość, dociera do Ziemi delikatnie osłabione. Dochodzimy w ten sposób do wspomnianych wcześniej „pewnych badań”. W 2013 roku grupa kosmologów (między innymi Alberto Dominguez i Joel R. Primack) przeprowadziła jednoczesne obserwacje kilkunastu blazarów; do przeprowadzenia operacji konieczne było wykorzystanie sześciu kosmicznych teleskopów oraz kilku kolejnych teleskopów naziemnych. Bardzo istotny jest fakt, iż blazary znajdywały się w różnych odległościach od Ziemi. Porównane zostały energie emisji promieniowania gamma oraz promieniowania rentgenowskiego. Dlaczego akurat tych dwóch? Z prostej przyczyny – promieniowanie rentgenowskie jest znacznie słabiej absorbowane przez EBL, a co za tym idzie, obserwacje są w stanie wykazać jasność niemal taką, jaką rzeczywiście emituje blazar.

Dalsze postępowanie było już dość proste. Na podstawie emisji promieniowania rentgenowskiego naukowcy byli w stanie obliczyć, jak mocne powinno być natężenie fotonów gamma danego blazara. Następnie wyniki obliczeń zestawiono z rzeczywistymi obserwacjami i voilà, mamy to. Różnica jasności wyliczonej i jasności obserwowanej bezpośrednio dała wynik jasności EBL. Różne odległości obserwowanych blazarów oznaczały różną „grubość” warstwy pozagalaktycznego światła tła, przez którą musiały przebijać się fotony gamma. Zestawienie tych wszystkich czynników pozwoliło wyznaczyć jasność EBL na tyle dokładnie, że bezpośrednio przyczyniło się do kilku odkryć.

paradoks olbersa

Obserwując przeszłość

Zawsze, kiedy patrzymy w nocne niebo, widzimy przeszłość, nie teraźniejszość. Niektóre gwiazdy obserwujemy w stanie zaledwie sprzed paru lat; w przypadku innych widzimy zaś stan, w jakim znajdywały się, gdy na Ziemi nie istniało jeszcze życie. Im dalej znajduje się obiekt, tym młodszego go widzimy, ale również tym bardziej zniekształcony jest jego obraz. Wyznaczenie wartości EBL pozwoliło na doprecyzowanie odbieranych sygnałów. Obserwacje najdalszych galaktyk pozwoliły odkryć, że początkowo nie miały one kształtu sferoid lub spiral, lecz były zwarte i powyginane. Wszystko przez to, że wczesny Wszechświat był znacznie gęściejszy, a co za tym idzie, galaktyki zderzały się znacznie częściej niż obecnie. Brzmi jak coś oczywistego, ale nie zapominajcie, że w świecie nauki nic nie jest oczywiste, dopóki nie zostanie potwierdzone wieloma bezpośrednimi obserwacjami.

Jak więc jest z tym całym paradoksem Olbersa? Choć obalenie poczynionych w XIX wieku założeń wymaga obecnie tylko aktualnej wiedzy licealnej, to sama istota paradoksu z pewnego punktu widzenia obowiązuje nadal. Bo przecież niebo w nocy jest ciemne, prawda? Jednakże dzięki potwierdzeniu istnienia EBL wiemy, że tak naprawdę nocne niebo wypełnia błysk wszystkich galaktyk, jakie kiedykolwiek istniały we Wszechświecie; błysk trudny do uchwycenia, ale jednak obecny. Do następnego!

P.S. Artykuł opisujący pracę wspomnianych wcześniej kosmologów Domingueza i Primacka dostępny jest w całości pod tym linkiem.

źródło: Scientific American 7/2015

_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.

  1. Dlaczego mikrofalowe promieniowanie tła, pozostałość po WW (Wielki Wybuch) jest tu, a nie poleciało „dalej”. Już gdzie indziej zdawałem to pytanie. W którym miejscu był WW. Stamtąd leci wszystko. Co tam jest. Resztki. Czy wszechświat jest balonem tylko z powierzchnią czy tez w środku coś jest. W centrum tam gdzie był WW. Nastepne. Masa leci wolniej od energii. Mówi się że wszechświat ma 14 miliardów lat. To wiek czy wielkość w latach świetlnych?

    1. Nie było „miejsca” Wielkiego Wybuchu, ponieważ to dopiero on stworzył to miejsce. Wszystko rozbija się o rozszerzanie Wszechświata – to nie jest ekspansja materii w przestrzeni, ale ekspansja samej przestrzeni. Nie ma nic poza nią, ale ona sama cały czas się rozszerza, a wraz z nią wszystkie znajdujące się w niej elementy. Także fale – na początku mikrofalowe promieniowanie tła leciało sobie z punktu A do punktu B; po nagłym rozszerzeniu się przestrzeni ono nadal podróżuje z A do B, ale różnica tkwi w tym, że A i B nagle oddaliły się o kosmiczne odległości, a więc podróżująca między nimi fala też musiała zostać rozciągnięta na taką odległość. Dlatego promieniowanie jest tak zimne (zerknij na grafikę spektrum elektromagnetycznego) i dlatego jest tak jednorodne.
      Natomiast co do liczby – najstarsze promieniowanie, jakie zaobserwowaliśmy, przybyło do nas z obszaru oddalonego o te niecałe 14 miliardów lat świetlnych. Nie jesteśmy jednak w stanie poznać wieku Wszechświata – z Ziemi widzimy tylko kulę o promieniu 14 miliardów lat świetlnych, ale nie wiemy, czy to już cały Wszechświat, czy jesteśmy w jego centrum, czy może na obrzeżach. Zerknij sobie na ten artykuł, tłumaczy temat dość przystępnie -> https://www.space.com/24073-how-big-is-the-universe.html

      1. Skoro nie widzimy całego wszechświata, tylko jego widzialną część, to skąd wniosek że jest skończony? Poza tym jeśli przed Big Bangiem nic nie było, to niby skąd wzięła się ta osobliwość o nieskończenie wielkiej gęstości? No i w jaki sposób może ona eksplodować? Jakim cudem coś mogło powstać z niczego? I nie piszcie mi w odpowiedzi o kwantowych fluktuacjach, wirtualnych cząsteczkach , bo to i tak nie tłumaczy tej teorii.

        1. Wniosek, że jest skończony, wysunęliśmy na podstawie tego, że się rozszerza – skoro się rozszerza, to musi mieć jakieś granice, bo inaczej rozszerzanie nie ma kompletnie żadnego sensu. Podobnie sprawa ma się z Wielkim „Wybuchem” – skoro się rozszerza, to znaczy, że kiedyś musiało być mniejsze i mniejsze i mniejsze, aż dochodzimy do osobliwości. Wszystko rozbija się o to, że Wszechświat się rozszerza i na to mamy proste dowody, ponieważ obserwujemy przesunięcie galaktyk ku czerwieni. Natomiast „Wybuch” to nie była eksplozja; to sarkastycznie nadane określenie, które po prostu przyjęło się do nauki. A skąd się wzięła osobliwość i jak rozszerzyła się do tego, co jest teraz? Gdybym to wiedział, to niewątpliwie usłyszałbyś o mnie przy okazji podsumowania najbardziej zasłużonych noblistów :)

        2. Nie było żadnej eksplozji. To nie materia się rozszerza tylko przestrzeń. Również ta pomiędzy dwiema cząsteczkami materii.

          1. A co to jest materia? Składa się chyba z atomów, a pomiędzy tworzącymi je cząsteczkami też jest relatywnie ogromna pusta przestrzeń, czy ona też się rozszerza?

          2. Przestrzeni też zdaje się nie było. Wiem na czym polegał ten tzw Wielki Wybuch, tylko ta twoja teoria o rozszerzaniu się przestrzeni nijak ma się do moich pytań.
            Ostatnio czytałem o teorii Wielkiego Odbicia, która zakłada Wszechświat cykliczny i do tego nie potrzebuje osobliwości.

          3. Po powstaniu wszechświata była przestrzen. Atomy powstały później. Ja Ci tylko tłumaczę, że wielki wybuch tonie był wybuch i nic nie spowodowało „wybuchu” materii.

          4. Istotna jest tutaj siła, która powoduje rozszerzanie Wszechświata. Na razie obserwujemy (najprawdopodobniej) wzrost prędkości rozszerzania, co oznacza, że działająca siła jest coraz mocniejsza. Na tej podstawie wysnuto hipotezę, jakoby Wszechświat miał się skończyć tak zwanym Wielkim Rozdarciem, podczas którego rozrywane będą nawet atomy. Więc odpowiedź na Twoje pytanie brzmi – na razie ta pusta przestrzeń się nie rozszerza, ale prawdopodobnie kiedyś do tego dojdzie :)

          5. Tylko teraz na usta ciśnie się pytanie, co to za tajemnicza siła powoduje ten wzrost prędkości rozszerzania, jest immanentna w naszym Wszechświecie, czy może pochodzi gdzieś spoza niego? A może to, co bierzemy za rozszerzanie wcale nim nie jest?

          6. Nie znamy tej siły; roboczo jest ona nazywana ciemną energią i to praktycznie wszystko, co można o niej powiedzieć. Nie wiemy czym jest, skąd pochodzi, ani dlaczego działa tak, jak działa.

  2. Wielki Wybuch przeczy wszystkim prawom fizyki nie ma cos z niczego , poza tym zasada zachowania energii . Nie oznacza ,ze jetem przeciw tej teorii , jest ona bardzo zastanawiajaca!!! Co do mikrofalowego promieniowania tla ,ostatnio pomyslalam ,ze moze ono byc po prostu natura przestrzeni .Czym jest przestrzen, mamy jej niepelna definicje .Wiemy ze jest , otacza nas , wniej miesci sie materia , wiemy ze elementy wszechswiata w jej ramach sie poruszaja ,a moze ma konkretne cechy wlasne- ta przestrzen kosmiczna. Co do Big Bang jezeli wszystko wylonilo sie z punktu musi istniec srodek Wszechswiata , ktory jest zarazem najstarsza jego czascia lub brzeg wszechswiata .Wszdzie ,gdzie siegaja nesze sondy jest on m.w jednorodny. Mlode galaktyki , jaki te stare mozna zobaczyc przez teleskop Hubble’a w kazda strone . Nie wymadrzam sie ,jestem laik , ale interesuje sie tym , takze to luzne dywagacje, prosze darowac moja ignorancje .Bardzo dobre wytlumaczenie , dlaczego w nocy niebo jest ciemne – od przesuniecia ku czerwieni ,dalej podczerwieni . Polecam film na YT
    Ukrywane wyniki badan astronomow, mam nadzieje ,ze nie padne ofiara nawiedzonych hejtow pozdrawiam

    1. Nie hejtuję, ale śpieszę wyjaśnić.
      Wielki Wybuch nie sugeruje, że coś powstało z niczego, jest to po prostu moment kiedy kwarki zaczęły ze sobą oddziaływać.
      Zasada zachowania energii dotyczy układów izolowanych, jeśli cały wszechświat jest takim układem to jest zachowana (pamiętając że z energii może powstać bayronowska materia)
      Nikt nie twierdzi, że zaczęło się w punkcie -to jedna z najpopularniejszych błędnych koncepcji, zaczęło się w pewnej przestrzeni, na tyle małej że temperatura uniemożliwiała wiązanie się kwarków.
      Nie wiem czy poruszyłeś kwestię czasu, ale sądzę że tak – czas przed wielkim wybuchem nie ma sensu, gdyż a) nie da się go zmierzyć
      B) nie ma wpływu na wszechświat

    2. Hm, ale nasze sondy nigdzie nie dotarły jeszcze. Jedna zbliża się, lub osiągnęła granice układu, lub właśnie ją przekracza. Z tego co wiem zdania naukowców są tutaj podzielone ;)

    3. Muszę sprostować – gdyby Wielki Wybuch przeczył wszystkim prawom fizyki, to nie miałby szans stać się najpopularniejszą i najprecyzyjniejszą hipotezą opisującą powstanie Wszechświata. Mało tego – przyjmuje się, że prawa fizyki powstały dopiero po Wielkim Wybuchu, a w pierwszych ułamkach sekund istnienia nie można było nawet odróżnić grawitacji od przyciągania elektromagnetycznego. Wszystko było zunifikowane, dopiero potem zaczęło się wyodrębniać. Dlatego też fizycy szukali i szukają cały czas tak zwanej teorii wszystkiego, która na powrót pozwoliłaby nam zunifikować oddziaływania i w ten sposób opisywać zachowanie Wszechświata tak precyzyjnie, jak to tylko możliwe.

    4. Tomek robi kawał świetnej roboty w tym cyklu i świetnie przedstawia pewne kwestie. Jeśli lubisz takie klimaty to polecam wykład na YT wpisz – Prof. Krzysztof Meissner „Przyszłość Wszechświata”.
      Od siebie tylko dodam że w znakomitej większości opieramy się na fizyce teoretycznej, brak nam wszystkich narzędzi,metod badawczych, a przez to polegać możemy tylko na matematyce. Ubogość zmysłów co pięknie zostało pokazane w tekście sprawia że praktycznie zawsze najpierw przewidujemy (mam na myśli naukowców;) ) teoretycznie pewne oddziaływania i zjawiska, a dopiero po czasie, gdy technika nam to zaczyna umożliwiać potwierdzamy lub obalamy powstałe teorie…

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Reklama