Глава 3. Чем дальше в пространство - тем глубже во времени

§3.4. Фотометрический парадокс

До сих пор мы говорили о таких наблюдательных фактах, которые были получены астрономами-профессионалами с помощью сложнейшей техники. Но есть один факт, известный каждому с детства: ночью темно. Оказывается, этот факт очень важен с космологической точки зрения. Отсутствие солнечного освещения является необходимой, но отнюдь не достаточной причиной темноты ночного неба.

Все дело в звездах. Звезды, конечно, очень далеки от нас, но их очень много. В бесконечной Вселенной, все пространство которой заполнено звездами, всякий луч зрения должен оканчиваться на звезде. Поток энергии излучения, принимаемого от нее, уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от светила. Но угловая площадь (телесный угол), занимаемая на небе каждой звездой, также уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, из чего следует, что поверхностная яркость звезды (равная отношению потолка энергии к телесному углу, занимаемому на небе звездой) не зависит от расстояния. Поскольку наше Солнце является во всех отношениях типичной звездой, то поверхностная яркость звезды в среднем должна быть равна поверхностной яркости Солнца. Когда мы смотрим в какую-то точку неба, мы видим звезду с той же поверхностной яркостью, что и Солнце; поверхностная яркость соседней точки должна быть такой же, и вообще во всех точках неба поверхностная яркость должна быть равна поверхностной яркости Солнца, поскольку в любой точке небосвода должна находиться какая-нибудь звезда (рис. 3.4.1). Мы приходим к выводу: все небо (не только ночью, но и днем) должно быть таким же ярким, как и поверхность Солнца! Это утверждение и называется фотометрическим парадоксом.

Впервые этот парадокс сформулировал выдающийся астроном Эдмунд Галлей (рис. 3.4.2), прославившийся предсказанием появления знаменитой кометы, ныне носящей его имя. Иногда фотометрический парадокс называется парадоксом Ольберса, в честь астронома, который переоткрыл его в XIX веке.

В прошлом делались попытки разрешить этот парадокс предположением, что облака космической пыли экранируют свет далеких звезд. Однако это объяснение неправильно: пыль сама должна нагреваться и светиться также ярко, как звезды.

В действительности разрешение этого парадокса заключается в следующем. Поскольку более 15 млрд. лет назад во Вселенной не было галактик и квазаров, самые далекие звезды, которые мы можем наблюдать, расположены на расстояниях около 15 млрд. св. лет. Это устраняет основную предпосылку фотометрического парадокса — то, что звезды расположены на любых, сколь угодно больших расстояниях от нас. Вселенная, наблюдаемая на больших расстояниях, настолько молода, что звезды еще просто-напросто не успели образоваться в ней. Заметим, что это нисколько не противоречит безграничности Вселенной: ограничена не Вселенная, а только та часть ее, где успели за время прихода к нам света родиться первые звезды.

Свой вклад в уменьшение яркости ночного неба вносит и красное смещение галактик. Действительно, далекие галактики имеют в (1+z) большую длину волны излучения, чем галактики на близких расстояниях. Но длина волны связана с энергией света по формуле ε=hc/λ. Поэтому энергия фотонов, принимаемых нами от дальних галактик, в (1+z) раз меньше. Далее, если из галактики с красным смещением z вылетают два фотона с интервалом времени δt, то интервал между принятием этих двух фотонов на Земле будет в еще в (1+z) раз больше, стало быть, интенсивность принятого света во столько же раз меньше. В итоге мы получаем, что суммарная энергия, поступающая к нам от далеких галактик, в (1+z)² раз меньше, чем если бы эта галактика не удалялась от нас вследствие космологического расширения.

Таким образом, на “детский” вопрос о том, почему ночью темно, следует отвечать так: во-первых, потому что ночью Солнце светит с другой стороны Земли, а во-вторых, потому что Вселенная расширяется!