宇宙中那麼多恆星,為什麼沒有太陽的照射天空就黑了?

2020-12-19 大臉科學視野

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在滿是星星的夜空下,如果有人問你,夜空為什麼是黑色的?你可能會脫口而出,是因為太陽落山了,夜半球的人不再受到陽光的普照。這好像是每個人都知道的答案。

那麼,如果他繼續追問,既然夜空繁星滿天,這其中不乏比太陽更大、更亮的恆星,為什麼卻照不亮頭頂這片天?你該如何回答。這個問題看似簡單,卻是天文學中一個著名的問題,「奧伯斯佯謬「。

1923年,德國天文學家奧伯斯首次提出,對於一個靜態、均勻、時間和空間均無限的宇宙模型而言,黑夜應當和白天一樣亮,但是現實的夜晚卻是黑的。這種理論與現實的矛盾也被稱為了 「奧伯斯佯謬」。

當然,奧伯斯並不是這一問題的首個發現者,類似的想法克卜勒在17世紀就曾提出過,哈雷彗星的發現者愛德蒙·哈雷也曾思考過這個問題。

據計算,整個宇宙有將近1700多億個星系,如果按照人們曾經所認為的宇宙模型那樣,只要時間足夠,恆星發出的光必然能夠抵達地球。這樣的話,即使在夜晚,天空也會和白天一樣明亮。

然而,事實卻並不是這樣。天文學家曾嘗試為「奧伯斯佯謬」提供多種解釋。克卜勒曾提出,宇宙中存在一堵黑暗的牆,遮住了一切遠方的光。哈雷也曾發表 「越遙遠的恆星光線越弱,而且會被更近的恆星遮擋,所以不會給夜空貢獻什麼光亮。「這樣類似的看法。

瑞士天文學家夏西亞科斯認為,擋住遙遠恆星的並不是一堵黑暗的牆,而是宇宙中存在大量能夠吸收光線的星際間介質,如氣體、塵埃和等離子體等。這個說法看似比之前的解釋更要靠譜得多。

但是,它卻仍然不能成立。根據熱力學第一定律和輻射轉移方程,那些塵埃和氣體在吸收光之後,溫度會越來越高,只要時間足夠長,就會和恆星一樣熱,以至於自己發出光。

因此,如果按照宇宙是均勻無限的模型,「奧伯斯佯謬」就無法解釋的通。因為均勻無線的宇宙也就意味著無限多的恆星,周圍的物質也會被加熱到和恆星一樣,傳遞到地球的光線更是不會少。這也是第一次天文學家對於恆穩態的宇宙模型提出挑戰。

現在對於這個問題給出的解釋一般有以下幾個原因:

宇宙並非無限大,並且處於不斷膨脹中。根據大爆炸理論和目前所測得的哈勃常數,一般認為宇宙誕生於138億年前的宇宙大爆炸,並且一直膨脹至今。

根據哈勃定律,越遙遠的星系退行速度越快。因此天文學家推測,一些星系的退行速度甚至超過光速,因此它們所發出的光並不能到達地球。

另外,宇宙膨脹不僅對輻射光源會產生影響,也會對輻射本身產生影響,這就是我們說的宇宙微波紅移。越遙遠的光到達地球時,其波長比起發出時的波長增長得越多。當遙遠恆星的光線到達地球時,其波長已經紅移到肉眼看不見的紅外區或微波區,不能再對夜晚的天空做貢獻了。

還有就是星際介質的消光和紅化。在有限的宇宙裡,星際物質不會被加熱到與輻射源相同的溫度,因此在輻射穿過這些物質後,輻射強度就會衰減。倘若一束光在傳播的途中經過數個星際介質,可能就會被完全吸收,不會被觀測到。

除了消光作用之外,輻射經過星際介質還會產生紅化效應。穿過介質的輻射,波長也會發生紅移,這就使得沒穿過一個介質,輻射的能量就會衰減,到達地球時已經所剩無幾。

正式由於以上幾種原因的共同作用,使得我們夜晚的天空永遠不能被照亮。原來,夜晚一直是光明的,只是我們看不到,而人類在夜空下的歷史或許就是它最好的見證。

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