Γιατί ο νυχτερινός ουρανός είναι σκοτεινός; — Το παράδοξο του Olbers

Ο νυχτερινός ουρανός είναι ως επί το πλείστον σκοτεινός, παρότι στο Σύμπαν υπάρχουν αμέτρητα άστρα. Αν όμως ο κόσμος ήταν στατικός και άπειρα παλιός, με τα άστρα κατανεμημένα ομοιόμορφα σε άπειρο χώρο, τότε κάθε ευθεία γραμμή της όρασης θα έπρεπε να καταλήγει σε μια φωτεινή επιφάνεια άστρου.

Ο ουρανός θα ήταν ομοιόμορφα λαμπρός, όπως η Γαλαξιακή Ζώνη. Αυτή η αντίθεση ανάμεσα στην αναμενόμενη φωτεινότητα και το πραγματικό σκοτάδι είναι γνωστή ως παράδοξο του Olbers (με ιστορικές ρίζες και σε προγενέστερες σκέψεις· ο Edgar Allan Poe στο Eureka το διατύπωσε με εντυπωσιακή σαφήνεια).

Πού «σπάει» το παράδοξο

Το παράδοξο στηρίζεται σε υποθέσεις που δεν ισχύουν για το πραγματικό Σύμπαν.

Κύριοι Παράγοντες

Πεπερασμένη ηλικία Το Σύμπαν έχει ηλικία περίπου 13,8 δισεκατομμύρια έτη. Υπάρχει λοιπόν κοσμικός ορίζοντας: το φως από περιοχές πέρα από μια ορισμένη απόσταση δεν είχε ακόμη χρόνο να φτάσει. Δεν υπάρχει, συνεπώς, άπειρη «στοίχιση» φωτεινών επιφανειών κατά μήκος κάθε διεύθυνσης.

Κοσμική διαστολή και ερυθρομετάθεση Το Σύμπαν διαστέλλεται. Καθώς το φως ταξιδεύει, το μήκος κύματός του τεντώνεται (ερυθρομετατοπίζεται), άρα η ενέργεια ανά φωτόνιο μειώνεται και ο ρυθμός άφιξης φωτονίων ανά μονάδα επιφάνειας-χρόνου αραιώνει. Η φωτεινότητα μακρινών πηγών εξασθενεί δραστικά. Σε μεγάλα ερυθρομετατοπισμένα μήκη κύματος το φως βγαίνει εκτός του ορατού εύρους, ο ουρανός εμφανίζεται σκοτεινός στα μάτια.

Τα άστρα δεν είναι αιώνια, ούτε παντού Κάθε άστρο έχει πεπερασμένη διάρκεια ζωής και ο ρυθμός γέννησης άστρων δεν είναι άπειρος. Η κατανομή της ύλης δεν προσφέρει πραγματικά μια αδιάκοπη φωτεινή «κουρτίνα» σε όλες τις κατευθύνσεις.

Επιπλέον Παράγοντες

Ενισχυμένη εξασθένηση στη διαστολή Στο διαστελλόμενο Σύμπαν, η φωτεινότητα μειώνεται ακόμα πιο δραστικά από τον κλασικό νόμο του αντίστροφου τετραγώνου. Η διαστολή του ίδιου του χώρου προκαλεί επιπλέον αραίωση της ακτινοβολίας, καθώς οι φωτοσφαίρες των μακρινών αντικειμένων φαίνονται μικρότερες και η πυκνότητα φωτονίων μειώνεται περισσότερο.

Εξέλιξη άστρων και γαλαξιών Ο ρυθμός αστρογένεσης δεν ήταν σταθερός στην κοσμική ιστορία. Τα πρώτα άστρα σχηματίστηκαν αρκετές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, όταν σχηματίστηκαν οι πρώτες δομές. Η κατανομή των πηγών φωτός στο χρόνο και τον χώρο δεν είναι ομοιόμορφη.

Μη-ευκλείδεια γεωμετρία Σε ένα σύμπαν με καμπυλωμένο χωρόχρονο, οι "ευθείες γραμμές της όρασης" ακολουθούν γεωδαισιακές που δεν είναι απαραίτητα ευθείες στην ευκλείδεια έννοια. Αυτό μπορεί να επηρεάσει τη γεωμετρία της κάλυψης του ουρανού από φωτεινές πηγές.

Κβαντομηχανικά και θερμοδυναμικά όρια Σε εξαιρετικά μεγάλες κλίμακες χρόνου, ακόμα και τα πρωτόνια έχουν θεωρητικά πεπερασμένη διάρκεια ζωής (~10³⁴ χρόνια), ενώ η εντροπία του Σύμπαντος αυξάνεται συνεχώς, οδηγώντας σε θερμικό θάνατο σε απώτερο μέλλον.

Η διαστρική σκόνη δεν «κρύβει» απλώς το φως Ακόμη κι αν η σκόνη απορροφά οπτική ακτινοβολία, θερμαίνεται και επαναεκπέμπει σε υπέρυθρα/υποχιλιοστομετρικά μήκη κύματος. Αν το Σύμπαν ήταν άπειρα παλιό και στατικό, ο ουρανός θα έλαμπε θερμικά σε κάποιο μήκος κύματος. Δεν παρατηρείται κάτι τέτοιο στο ορατό.

Τι «φαίνεται» αντί για φως στο ορατό

Ο ουρανός δεν είναι απόλυτα σκοτεινός: λάμπει στη μικροκυματική περιοχή ως Κοσμικό Μικροκυματικό Υπόβαθρο (CMB), με θερμοκρασία περίπου 2,7 K. Πρόκειται για το «απολίθωμα» της θερμής πρώιμης φάσης του Σύμπαντος, μετατοπισμένο από την κοσμική διαστολή σε μικροκύματα. Στο ορατό, ωστόσο, το CMB είναι πρακτικά αόρατο.

Ιστορικό σημείωμα

Η σκέψη εμφανίζεται σε διάφορους στοχαστές (Kepler, Halley, Cheseaux). Ο Heinrich Wilhelm Olbers τής έδωσε κεντρική θέση στις αρχές του 19ου αιώνα. Ο Edgar Allan Poe, στο Eureka (1848), επισήμανε ότι το σκοτάδι υποδηλώνει πεπερασμένη ηλικία ή άλλου τύπου περιορισμό. Η σύγχρονη κοσμολογία, με την ιδέα της Μεγάλης Έκρηξης και την κοσμική διαστολή, προσφέρει τη συνεκτική απάντηση.

Συμπέρασμα

Ο νυχτερινός ουρανός είναι σκοτεινός διότι το Σύμπαν δεν είναι στατικό και δεν είναι άπειρα παλιό. Η πεπερασμένη ηλικία περιορίζει το πόσο μακριά μπορούμε να δούμε, ενώ η διαστολή μεταφέρει μεγάλο μέρος της ακτινοβολίας έξω από το ορατό φάσμα και μειώνει δραστικά τη φαινομενική φωτεινότητα των μακρινών πηγών. Η μη-ομοιόμορφη εξέλιξη των κοσμικών δομών και οι θεμελιώδεις ιδιότητες του χωροχρόνου συμπληρώνουν την εικόνα. Το «παράδοξο» επιλύεται όταν ληφθούν υπόψη οι πραγματικές ιδιότητες του κοσμικού μας περιβάλλοντος.