Фотометричний парадокс

Блакитний колір неба виникає тому, що розсіювання на дрібних центрах таких, як молекули газів, з яких і складається атмосфера, відбувається для різних довжин хвиль по-різному. Чим менше довжина електромагнітної хвилі, тим сильніше її розсіювання. Синє світло має меншу довжину хвилі, ніж червоне. Отже блакитний колір неба – це частина світла, що була розсіяна атмосферою. При заході або сході Сонця, світлу доводиться долати більш товстий шар атмосфери. Значне розсіювання мають і червоні хвилі. Небо на заході Сонця стає жовтим або помаранчовим. Чим більшу відстань долає сонячний промінь, тим сильніше атмосфера набирає червоних кольорів.

Залишається друге питання. Чому вночі небо чорне?

Якщо вважати, що зір на небі нескінченно багато, навіть якщо вони знаходяться дуже далеко від нас, то сукупне їхнє сяйво повинно бути яскравим. Таке міркування отримало назву фотометричний парадокс.

Фотометричний парадокс, також відомий як парадокс Ольберса, — це протиріччя між міркуванням про яскраве світло нічного неба і темним нічним небом, що реально спостерігається Фотометричний парадокс стосується питання: чому нічне небо темне, якщо Всесвіт нескінченний, вічний і рівномірно заселений зорями?

Фотометричний парадокс ґрунтується на кількох ключових припущеннях про природу Всесвіту, а саме:

1. Нескінченність Всесвіту (Всесвіт простягається безмежно у просторі).

2. Гомогенність і ізотропність (Речовина ,зокрема зорі, рівномірно розподілена в великих масштабах).

3. Вічність Всесвіту (Всесвіт існує нескінченно довго, тобто світлу від будь-якої зорі було достатньо часу, щоб досягти нас).

4. Зорі - джерела світла (Кожна зоря випромінює світло подібно Сонцю, їх кількість нескінченна).

Логічний ланцюг міркувань, які призводять до фотометричного парадоксу такий:

У кожному напрямку лінії зору має бути зоря. Якщо Всесвіт нескінченний і заповнений зірками, то який би напрямок ми не вибрали, лінія зору зрештою натрапить на поверхню зорі. 

Яскравість не зменшується з відстанню в нескінченному Всесвіті. Хоча яскравість окремої зорі зменшується обернено пропорційно квадрату відстані, водночас кількість зірок у сферичній оболонці радіуса r зростає пропорційно квадрату відстані. Тобто зменшення кутового розміру при віддаленні зорі від спостегача компенсується відповідним збільшенням кількості зір.

Нічне небо має бути яскравим, як поверхня Сонця. Якщо простір справді нескінченний і рівномірно заповнений зірками, то кожна ділянка неба мала б світитися з яскравістю, аналогічною поверхні Сонця, бо сума світла від нескінченної кількості зірок була б колосальною.

Протиріччя зі спостереженнями.

Реально нічне небо — темне, а не залите безперервним світлом, що й створює парадокс.

Подолання помилок фотометричного пародоксу:

1. Всесвіт не вічний і не стаціонарний.

Теорія Великого вибуху (1920–30-ті роки): Всесвіт має початок у часі (≈13,8 млрд років). Отже, світло від дуже далеких об’єктів ще не встигло дійти до нас.

Зорі не горять вічно — вони мають обмежений час життя, тому не можуть безперервно освітлювати небо.

2. Розширення Всесвіту (ефект Доплера)

Габблове розширення Всесвіту (1929): Галактики віддаляються одна від одної, їхнє світло червоніє через космологічний червоний зсув визваний ефектом Доплера. Далекі зорі випромінюють у видимому діапазоні, але їхнє світло розтягується у довші хвилі (інфрачервоне і мікрохвильове випромінювання).

3. Обмежена кількість зірок у спостережуваному Всесвіті

Через скінченний вік Всесвіту і обмежену швидкість світла ми бачимо лише частину Всесвіту — так званий спостережуваний Всесвіт. Навіть якщо існують зорі поза цим горизонтом, їхнє світло ще не встигло нас досягти.

4. Космічний мікрохвильовий фон як "залишкове світло" Всесвіту

Після Великого вибуху залишилося реліктове випромінювання, яке ми сьогодні спостерігаємо у вигляді космічного мікрохвильового фону (КМФ). Воно заповнює Всесвіт, дуже однорідне і може бути аналогом яскравого неба, але тільки не в оптичному діапазоні, а в мікрохвильовому. Через розширення Всесвіту температура випромінювання впала до ≈2,725 К, тож його не видно неозброєним оком. Максимум інтенсивності КМФ за законом Віна спостерігається на частоті 160,2 ГГц (довжина хвилі 1,9 мм), середня частота (середньозважена за інтенсивністю) 280 ГГц (довжина хвилі 1,1 мм).

Темрява нічного неба — це прямий наслідок обмеженого віку Всесвіту, розширення простору та червоного зсуву, певної кількості зірок у спостережуваному Всесвіті

Нічне небо — це спокійна загадка, у якій кожен відтінок чорного розповідає про межі нашого Всесвіту. Його темрява нагадує нам, що навіть у нескінченності є межі, які ми ще маємо осягнути.

Фотометричний парадокс став важливим поштовхом до відкриття сучасної космології. Нічна темрява — це своєрідний доказ того, що Всесвіт має історію та динаміку!

Лобас Кіра, 11Ам