Το παράδοξο του σκοτεινού νυχτερινού ουρανού ή του Olbers

Ο Olbers ισχυρίστηκε ότι ένα άπειρο σύμπαν θα έπρεπε να περιέχει άπειρο πλήθος αστέρων σε όλα τα σημεία του ουρανού και αν το σύμπαν είχε άπειρη ηλικία τότε το γεγονός αυτό θα είχε δώσει στο αστρικό φως άπειρο χρόνο για να φτάσει σε μας. Συνεπώς, ο νυχτερινός ουρανός όφειλε να είναι πλημμυρισμένος από άπειρη ποσότητα φωτός από όλους αυτούς τους αστέρες.

Γιατί ο ουρανός είναι σκοτεινός τη νύχτα; Κατ’ αρχάς το πρόβλημα φαίνεται τετριμμένο. Ο ουρανός τη νύχτα είναι σκοτεινός επειδή τα άστρα
βρίσκονται σε τεράστιες αποστάσεις από εμάς, και έτσι φαίνονται αμυδρά. Το παράδοξο του Olbers περιγράφηκε από τον γερμανό αστρονόμο Heinrich Wilhelm Olbers το 1823, ενώ προηγουμένως είχε αναφερθεί από τον Johannes Kepler το 1610 και τους Halley και Cheseaux κατά τον 18ο αιώνα.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να εξηγήσουμε γιατί ο νυχτερινός ουρανός δεν είναι πολύ λαμπρός, αλλά η εξήγηση στο σημερινό πλαίσιο του Big Bang είναι η πιο πειστική.
Η ιδέα του Olbers είναι η εξής: Εάν το σύμπαν είναι άπειρο και γεμάτο αστέρια, τότε, ανεξάρτητα από το σημείο που βλέπουμε, θα υπάρχει εκεί πάνω κάποιο φωτεινό αστέρι, οπότε ο νυχτερινός ουρανός θα πρέπει να είναι φωτεινό αντί για σκοτάδι. Αλλά αυτό δεν συμβαίνει και η απάντηση μας λέει πραγματικά πολλά για το σύμπαν μας και τους περιορισμούς του.
Αν υποθέσουμε ότι το σύμπαν περιέχει έναν άπειρο αριθμό ομοιόμορφα κατανεμημένων άστρων που λάμπουν, τότε:

1. Το συσσωρευμένο φως που λαμβάνεται από ένα σύνολο άστρων που βρίσκονται σε μια δεδομένη απόσταση, είναι ανεξάρτητη από αυτή την απόσταση.
2. Κάθε οπτική ακτίνα (κάθε ευθεία γραμμή) που ξεκινάει από τον παρατηρητή, θα πρέπει να φτάνει τελικά στην επιφάνεια ενός άστρου.
3. Κάθε σημείο στον ουρανό πρέπει να είναι τόσο φωτεινό όσο και η επιφάνεια ενός άστρου.

Το Κοσμικό Μικροκυματικό Υπόβαθρο (CMB) είναι ένα στιγμιότυπο του πρώιμου σύμπαντος, είναι το παλαιότερο φως που μπορούμε να δούμε και που ξεκίνησε 380.000 χρόνια μετά το Big Bang. Αυτό το φως έχει μετατοπιστεί βάσει του φαινομένου Doppler προς το τμήμα μικροκυμάτων του Η/Μ φάσματος, έξω από τη σφαίρα της παρατήρησης με γυμνό μάτι. Σε αυτήν την εικόνα, που δημιουργήθηκε  με δεδομένα από τον δορυφόρο Planck, τα διαφορετικά χρώματα αντιπροσωπεύουν μικροσκοπικές διακυμάνσεις της θερμοκρασίας.

Το κλειδί για αυτό το «πρόβλημα» είναι ότι το σύμπαν δεν είναι απείρως παλιό. Γνωρίζουμε ότι είναι μόνο 13,8 δισεκατομμυρίων ετών και έχει επεκταθεί προς όλες τις κατευθύνσεις για όλο αυτό το διάστημα. Τα αστέρια στο σύμπαν είχαν μόνο 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια για να γεννηθούν, να εξελιχθούν και να πεθάνουν, οπότε το σύμπαν δεν είναι γεμάτο με αστέρια σε κάθε θέση που μπορούμε να δούμε.

Επιπλέον, καθώς το σύμπαν διαστέλλεται, το φως που φτάνει προς εμάς από απομακρυσμένες πηγές υφίσταται μια διαδικασία που ονομάζεται μετατόπιση Doppler, η οποία αναγκάζει το φως του άστρου να μετατοπίζεται προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Αυτή η αύξηση του μήκους κύματος του φωτός, που σημαίνει και μείωση της ενέργειάς του, συμβάλλει στη μείωση της συνολικής φωτεινότητας που φτάνει στη γη.

Επίσης, ρόλο παίζει και η πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός.  Όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση ενός άστρου από έναν παρατηρητή στη Γη, τόσο περισσότερο χρόνο θέλει το φως του άστρου για να φθάσει στον παρατηρητή. Κατά συνέπεια, όσο πιο μακριά εξετάζουμε το διάστημα, τόσο πιο πίσω στον χρόνο θα βλέπουμε. Και το αστρικό φως θα είχε φτάσει σε μας μόνο από κάποιο περιορισμένο όγκο του διαστήματος, επειδή το φως κινείται με 300.000 km/sec. Με λίγα λόγια, η πεπερασμένη ταχύτητα του φωτός έχει ως αποτέλεσμα το φως πολλών αστεριών να μην έχει φθάσει ακόμη σε μας. Δηλαδή μα έχουμε ένα νυχτερινό ουρανό, που είναι ακριβώς αυτό που βλέπουμε.

Αυτό το γεγονός είναι ένα βασικό συστατικό στην επικρατούσα εξήγηση του παραδόξου Olbers, αν και δεν μπορεί να εξηγήσει από μόνο του το παράδοξο, δεδομένου ότι η ταχύτητα του φωτός δεν έχει άμεση σύνδεση με την πυκνότητα της φωτεινής ενέργειας που λαμβάνουμε σε οποιοδήποτε σημείο του ουρανού. Χρειάζεται και την πεπερασμένη ηλικία του σύμπαντος και την διαστολή του χώρου.

Με δεδομένο μια αρκετά μεγάλη μετατόπιση προς το ερυθρό λόγω Doppler, το φως δεν είναι πλέον ορατό στο ανθρώπινο μάτι, βρίσκεται πια στην υπέρυθρη ζώνη – και στην πραγματικότητα, η παλαιότερη ακτινοβολία που μπορούμε να δούμε στο σύμπαν, το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο, έχει τεντωθεί κατά ένα συντελεστή περίπου κατά 1.000, έτσι ώστε η ακτινοβολία του να φαίνεται πολύ πιο ψυχρό και σε πολύ μεγαλύτερο μήκος κύματος από ό, τι όταν παρήχθη. Αυτή η ακτινοβολία, αν και είναι παντού τριγύρω μας, είναι αόρατη με γυμνό μάτι.

Μάλιστα υπολογισμοί δείχνουν ότι η μετατόπιση προς το ερυθρό καθώς και η ίδια η διαστολή, θα μπορούσαν να εξηγήσουν το σκοτάδι της νύχτας ακόμα κι αν ο Κόσμος είχε άπειρη ηλικία.

Μια εναλλακτική εξήγηση που προτείνεται μερικές φορές από τους μη επιστήμονες, αλλά και από τον ίδιο τον Heinrich Olbers, ήταν ότι οι μεγάλες ποσότητες σκόνης που υπάρχουν στο διάστημα θα απορροφούν το περισσότερο αστρικό φως, και γι’ αυτό το λόγο ο ουρανός μας φαίνεται σκοτεινός. Εντούτοις, αυτός ο συλλογισμός από μόνος του δεν θα επίλυε το παράδοξο.

Γιατί αν και η ιδέα του Olbers ήταν ευφυής, μειονεκτούσε στα θεμέλια της: η σκόνη τελικά θα θερμανθεί και θα αρχίσει να επανακτινοβολεί με την ίδια ένταση που είχε και η ακτινοβολία την οποία απορρόφησε (ενδεχομένως σε διαφορετικά μήκη κύματος). Το φαινόμενο αυτό προκύπτει από τον 1ο και 2ο θερμοδυναμικό νόμο. Τελικά αυτή η απορρόφηση θα οδηγούσε πάλι σε μια έντονη ομοιόμορφη ακτινοβολία, τόσο φωτεινή όσο και από το σύνολο των ίδιων των άστρων. Κάτι που δεν παρατηρείται.
Τελικά, η φύση του ίδιου του σύμπαντος – η διαστολή του, η εξέλιξη του και η πεπερασμένη ηλικία του – είναι οι λόγοι που δεν βλέπουμε φως γύρω μας και ο νυχτερινός ουρανός φαίνεται σκοτεινός.

Από το physics4u