Ночь наступает, когда из-за вращения Земли наше место оказывается на стороне, отвёрнутой от Солнца. Земля закрывает прямой солнечный свет, а далёкие звёзды освещают нас гораздо слабее. Вселенная существует конечное время, и звёзды появились в ней не сразу. Доступных нашему взгляду звёздных поверхностей недостаточно, чтобы заполнить светом всё небо; расширение Вселенной дополнительно ослабляет далёкий свет.
У простого вопроса «почему ночью темно» есть два уровня. Первый можно объяснить фонариком и мячом. Второй заставляет спросить: если звёзд так много, почему между ними вообще остаются тёмные участки? Здесь пригодятся оба объяснения, а заодно станет понятно, почему после заката ещё светло, в городе звёзд мало и длинная выдержка камеры показывает больше, чем глаз.
В статье вы узнаете:
Возьмите непрозрачный мяч, наклейте на него маленькую метку и осветите фонариком сбоку в затемнённой комнате. Фонарик будет изображать Солнце, мяч Землю, а метка место, где вы живёте. Обращённая к фонарику сторона мяча освещена. Противоположная сторона остаётся в тени.
Поверните мяч, не меняя направления света. Метка сначала находится на свету, затем уходит за границу освещённой области. Сам фонарик продолжает светить с прежней силой. Для метки наступила ночь потому, что поверхность повернулась и непрозрачный мяч заслонил источник.
То же происходит с нами на Земле. За обычные солнечные сутки, примерно 24 часа, место снова проходит полный цикл относительно Солнца. Ежедневная смена дня и ночи вызвана вращением Земли, а движение вокруг Солнца вместе с наклоном оси связано с годовой сменой сезонов и длительности дня.
В этом опыте важно крутить мяч вокруг своей оси, а не прятать фонарик за другим предметом. Земная ночь не требует, чтобы Луна закрывала Солнце. Такое перекрытие создаёт солнечное затмение для определённой области, но не ежедневную ночь на всей отвёрнутой стороне.
Модель намеренно простая. У мяча нет атмосферы, а близкий фонарик даёт расходящиеся лучи. На масштабе Земли солнечные лучи можно изображать почти параллельными. От опыта нам нужно одно: неподвижный источник способен попеременно освещать разные места вращающегося шара.
Граница дня и ночи на мяче довольно резкая. На улице после заката ещё видно дорогу, окна и людей. Солнце уже ниже вашего горизонта, но часть атмосферы над вами продолжает получать его свет и рассеивает его в разные стороны, в том числе к вашим глазам. Этот переходный свет называют сумерками.
Воздух рассеивает солнечное излучение и днём. Поэтому свет к нам приходит не только с маленького яркого солнечного диска, но и от большого участка неба. На Луне, где нет плотной земной атмосферы, освещённая поверхность может соседствовать с чёрным небом. Чёрный фон сам по себе не означает отсутствие света на предметах.
По мере того как Солнце опускается дальше под горизонт, вклад рассеянного солнечного света уменьшается. Появляются всё более слабые звёзды. Сколько длится этот переход, зависит от места и сезона: Солнце может пересекать горизонт круто или идти вдоль него по пологой дуге.
Отсюда белые ночи. В высоких широтах летом Солнце бывает неглубоко под горизонтом, и сумерки могут продолжаться до следующего утра. При полярном дне оно вообще не заходит. Поэтому фраза «Земля вращается, значит у каждого обязательно двенадцать часов темноты» не работает: важны наклон земной оси, широта и положение Земли на орбите.
Для короткого наблюдения достаточно посмотреть на небо после захода Солнца и вернуться к нему позже. Сравнивайте один участок вдали от фонаря: заметны ли сначала только яркие точки, а потом более слабые? Это показывает изменение фона, а не рождение новых звёзд за полчаса.
Звёзды на ночном небе тоже излучают свет. Солнце настолько выделяется среди них потому, что находится к нам близко по звёздным меркам. Свет одного и того же источника, распространяясь, распределяется по всё большей площади.
Представьте одинаковые маленькие приёмные площадки рядом с лампой и вдвое дальше от неё. В идеальном свободном пространстве вдали от размеров самой лампы на дальнюю площадку попадёт в четыре раза меньше мощности света. На расстоянии втрое больше будет уже девятая часть. Это правило обратных квадратов расстояния.
Можно мысленно окружить лампу прозрачным шаром, который собирает весь её свет. У шара вдвое большего радиуса площадь в четыре раза больше, а источник не стал светить сильнее. Каждому одинаковому участку поверхности достанется вчетверо меньше. Так расстояние превращает яркий источник в слабую точку.
Для отдельной далёкой звезды это хорошее объяснение. Но у вопроса остаётся продолжение: чем дальше мы смотрим, тем больше пространства охватываем и тем больше звёзд может в нём оказаться. Не компенсирует ли их количество ослабление каждой? Именно здесь начинается знаменитая задача о тёмном ночном небе.
Парадоксом Ольберса называют противоречие между тёмным ночным небом и определённой воображаемой моделью Вселенной. Название связано с немецким врачом и астрономом Генрихом Вильгельмом Ольберсом. Сам вопрос обсуждали и другие исследователи; для понимания важнее условия задачи, чем список имён.
Представим бесконечную, неизменную Вселенную, где звёзды примерно равномерно распределены и светят в среднем так же, как всегда. Она существовала бесконечно долго, поэтому свет даже из самых далёких областей успел прийти. Пространство прозрачно, расширение пока не учитываем.
В такой модели нельзя отделаться словами «далёкие звёзды тусклые». Рассмотрим слой пространства вокруг наблюдателя, например условную тонкую оболочку. Затем такой же по толщине слой, но вдвое дальше. Площадь его поверхности примерно в четыре раза больше. При одинаковой средней плотности звёзд в нём окажется примерно в четыре раза больше источников.
Каждый из них в среднем даёт вчетверо меньше света, зато самих источников вчетверо больше. Два изменения компенсируют друг друга. Для тонких слоёв в этой упрощённой модели удаление не заставляет вклад каждого следующего слоя стремительно исчезать.
Другая наглядная модель: лес с очень большим количеством деревьев. В небольшом редком лесу между стволами видны просветы. Если продолжать его достаточно далеко при той же плотности, всё больше направлений взгляда упирается в какой-нибудь ствол. Воображаемое вечное звёздное небо устроено похоже: рано или поздно взгляд должен встретить светящуюся поверхность.
Лес здесь объясняет заполнение направлений, а не устройство космоса буквально. Мы не стоим в центре особой звёздной стены. Реальный вывод из парадокса такой: хотя бы часть предположений о вечной и неизменной светящейся Вселенной не подходит к нашему миру.
Свет распространяется быстро, но не мгновенно. Один световой год обозначает расстояние, которое он проходит в вакууме за год. Это единица длины, хотя в названии есть слово «год».
В простом примере с неподвижными близкими по космическим меркам объектами свет от источника на расстоянии 100 световых лет идёт примерно 100 лет. Полученный сегодня свет показывает источник в прошлом. Если такой источник только начал светить год назад, его новое излучение ещё не достигло бы нас.
Масштаб можно проверить в конвертере световых лет в километры. Введите 100 световых лет: получится около 946 триллионов километров. Даже при скорости почти 300 тысяч километров в секунду пересечь такое расстояние мгновенно не выходит. Конвертер переводит длину, а не оценивает возраст звезды.
У Вселенной конечный возраст, а первые звёзды появились не сразу. Поэтому мы не можем продолжать добавлять к наблюдаемой картине новые слои таких же звёзд без конца. Чем дальше заглядывает телескоп, тем более раннюю эпоху он показывает. В достаточно ранней Вселенной звёзд ещё не было: их свет оттуда не придёт, потому что тогда его никто не испускал.
Вернёмся к лесу. Если доступная взгляду часть леса заканчивается раньше, чем стволы перекроют все направления, между ними останутся просветы. На небе звёзды тоже занимают небольшие участки. Доступные нам светящиеся поверхности не закрывают всю его площадь, а добавить за каждым просветом бесконечную вереницу давно светящих звёзд нельзя. Так конечное время и история появления звёзд меняют исходную задачу. Пространство при этом не обязано заканчиваться там, где перестали приходить звёздные лучи.
Именно возможность бесконечно суммировать слои проверяется в разборе парадокса Ольберса NASA. Тёмное небо говорит, что модель вечного неизменного звёздного мира не соответствует наблюдению.
Здесь легко сделать лишний вывод: раз мы видим только ограниченную часть, вся Вселенная обязательно конечна и имеет край. Это из сказанного не следует. Ограниченность того, что до нас успело дойти, говорит о наблюдении, а не о стене на краю всего пространства.
Реальная Вселенная расширяется. На больших космологических расстояниях во время путешествия света увеличивается и длина его волны. Это называют космологическим красным смещением: излучение сдвигается в сторону более длинных волн.
У видимого света красная область соответствует более длинным волнам, чем синяя. Если растяжение сильнее, излучение может уйти в инфракрасную область, которую глаз не видит. Название «красное» поэтому не обещает, что вся далёкая Вселенная должна выглядеть как красный фон на фотографии.
Расширение уменьшает энергию отдельных фотонов, порций света, и растягивает время, за которое приходят сигналы из далёкого источника. Это дополнительно уменьшает наблюдаемый поток энергии. Вместе с конечной историей излучения оно помогает объяснить, почему реальный мир не похож на вечную светящуюся стенку из мысленного опыта.
Но и фраза «все далёкие звёзды стали невидимыми из-за расширения» слишком груба. Мы наблюдаем множество далёких галактик. Их свет дошёл, просто он слаб и изменён за время пути.
Для далёких галактик также нельзя без оговорок делить нынешнее расстояние на скорость света и получать время путешествия. Пространство изменялось, пока свет шёл. В примере со 100 световыми годами мы использовали удобное локальное приближение, а не универсальный способ считать прошлое Вселенной. Подробнее сами единицы разобраны в статье о космических расстояниях.
Пыль действительно поглощает часть звёздного света и скрывает некоторые области. На снимках Млечного Пути видны тёмные полосы, а в инфракрасных наблюдениях удаётся увидеть то, что плохо заметно в видимом диапазоне. Но пыль не спасает исходную вечную модель.
Поглощённая энергия не исчезает. Пыль нагревается и сама излучает. В воображаемой системе, которая бесконечно долго получает свет, нельзя использовать пыль как вечную холодную ширму, куда вся энергия уходит без последствий.
Это не означает, что вся реальная космическая пыль должна ярко светиться для наших глаз. Её температура и излучение зависят от условий, значительная часть переизлучения приходится на инфракрасный диапазон. Утверждение уже: добавление вечной поглощающей ширмы не устраняет противоречие той идеальной модели.
Такой вопрос полезно задавать и в других объяснениях: куда делась энергия? Если ответ звучит как «просто исчезла за перегородкой», стоит проверить, что происходит с самой перегородкой.
Наши глаза воспринимают лишь небольшую часть электромагнитного излучения, видимый свет. Радиоволны, инфракрасное излучение и рентгеновское излучение требуют других приборов. Поэтому чёрный участок зрительного поля не доказывает отсутствие сигналов в этом направлении.
Космос заполнен, в частности, реликтовым микроволновым излучением. Это сохранившееся излучение ранней горячей Вселенной, которое из-за расширения сильно остыло. Глаз его не видит, а специальные приёмники измеряют. Оно не является светом современных звёзд, который просто перекрасили на готовой карте неба.
Здесь удобно разделять два вопроса. Почему глаз не видит яркой сплошной поверхности? И какие виды излучения вообще приходят к приборам? Ответы связаны, но «темно для человека» не равно «абсолютно пусто и ничего не излучает».
Даже в видимом диапазоне естественное ночное небо не совершенно чёрное. Есть слабый общий свет далёких объектов, рассеяние на межпланетной пыли и собственное слабое свечение верхней атмосферы. На бытовое различие дня и ночи это не похоже: прямое и рассеянное солнечное освещение несравнимо заметнее.
Фонари освещают улицы, фасады и облака. Часть искусственного света направляется вверх или отражается от поверхностей, а затем рассеивается в атмосфере. Над городом появляется светлый фон, на котором слабые звёзды труднее различить. Это один из видов светового загрязнения.
Звёзды от этого не перестали светить. Уменьшилась заметность их света на ярком фоне. Похожая ситуация возникает с тусклым экраном рядом с ярким окном: изображение ещё есть, но различать детали труднее.
Облака над ярко освещённым городом способны сделать ночь ещё светлее, возвращая вниз часть искусственного света. Вдали от городов они, наоборот, могут закрывать звёзды и уменьшать естественное освещение. Такое различие показало исследование ночного освещения на 44 площадках. Нельзя определить количество облаков только по ощущению «сегодня светло» без учёта места.
Луна тоже освещает пейзаж отражённым солнечным светом. При яркой Луне слабые объекты наблюдать труднее, а снег дополнительно отражает падающий свет. Поэтому две ночи в одном месте могут выглядеть совсем по-разному при неизменном общем механизме вращения Земли.
Если хотите увидеть больше звёзд, выберите безопасное место вдали от прямого света фонарей, ясную погоду и время, когда Луна находится ниже горизонта или её свет слаб. Дайте глазам привыкнуть к темноте и не смотрите постоянно на яркий экран. Поездка в незнакомую глушь ради одного наблюдения для такого опыта не нужна.
На фотографии могут появиться слабые звёзды, которые вы не замечали. При длинной выдержке камера собирает свет дольше, а обработка позволяет усилить слабые детали. Глаз и камера работают по-разному, поэтому снимок не обязан совпадать с мгновенным зрительным впечатлением.
Здесь важна оговорка к красивым космическим изображениям. Сложение кадров и усиление цвета помогают показать слабые детали. А изображения, полученные в невидимых диапазонах, специально переводят в доступные глазу цвета. Это полезные способы увидеть данные, но не точная копия зрительного впечатления.
Проверить накопление света можно со штативом или устойчивой опорой в безопасном месте. Сделайте несколько снимков одного участка с разной выдержкой, если телефон позволяет задавать её вручную. Сохраняйте остальные настройки по возможности одинаковыми и учитывайте, что автоматическая ночная обработка может дополнительно складывать кадры. Сравнивайте число различимых деталей. При долгой выдержке звёзды могут превратиться в штрихи: из-за вращения Земли они смещаются относительно неподвижной камеры.
У вопроса о ночной темноте теперь есть два ясных ответа. Привычную ночь создаёт Земля, которая поворачивает нас от Солнца. А тёмные промежутки звёздного неба напоминают, что звёзды не светили вечно и их свету нужно время, чтобы дойти. Когда после заката вы замечаете новую слабую звезду, изменилось прежде всего освещение вашего неба, а не сама звезда за эти несколько минут.
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.