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            太阳被遮挡了,银河系中还有其他发光恒星,为什么夜空还这么黑?

            admin 2019-08-29 264人围观 ,发现0个评论

            白天,阳光从四面八方涌来,阳光从我们能看到的任何地方射向我们的眼睛。到了晚上,阳光不会覆盖头顶的大气层,所以天空中到处是黑暗,没有光点,如星星、行星或月亮。

            你是否对此产生过怀疑么。如果宇宙是无限大的,我们的视线不应该最终撞上恒星,不管我们朝哪个方向看?考虑到那里有数万亿个星系,望远镜能够看到我们眼睛看不到的微弱星系,为什么所有这些星系发出的光都不能照亮天空的每一个点?

            这是困扰科学家数世纪的太阳被遮挡了,银河系中还有其他发光恒星,为什么夜空还这么黑?难题。如果你仔细考虑它,它甚至可能对你没有意义。是的,我们地球上的大气层对可见光基本上是透明的,这使我们能够在夜间看到广阔的深空深渊。我们在银河系中的位置很特殊,银河平面被前景尘埃和气体遮蔽,这些尘埃和气体阻挡了银河系中心区域的光。

            夜色中的银河系

            (上图说明:在美国大峡谷附近的拍摄到的银河系,巧合的是,这是我自己第一次看到银河系。银河系的平面看起来很暗,与位于我们银河系平面上的背景恒星形成了鲜明的轮廓。)

            但除此之外,你可能期望在每一个方向和每一个地方看到光,理论上你是能够看到的。毕竟,如果宇宙是真正无限的,那么深空的空虚就会永远存在。在任何你能想象到的方向,最终你的视线将遇到一个闪亮的光点。

            如果这是真的,那么夜空根本不会是黑暗的,而是会由每一个星光路径到达地球的星星照亮。

            然而,即使我们看到看似空洞的最深处,人眼或传统望远镜也看不到星星或星系,我们最强大的天文台虽然能看到许多,但它仍然只是少数在空旷的黑色背景下的光点。

            是的,宇宙充满了恒星和星系; 是的,它们距离我们很远:数百万,数十亿甚至数百亿光年。 星光穿过宇宙,到达我们最好的观测设备,在很大程度上展示太阳被遮挡了,银河系中还有其他发光恒星,为什么夜空还这么黑?了一个丰富的宇宙。 但是,宇宙太过浩瀚,人类的最好的观测设备所观测到的恒星及星系也仅仅是九牛一毛。

            (上图说明:宇宙可能是真正无限的,有无数的恒星和星系在四面八方。但是,如果情况如此,您完全预计最终,您的视线将相交发光物体。如果是这样的话,太阳被遮挡了,银河系中还有其他发光恒星,为什么夜空还这么黑?黑暗是不可能的。)

            从科学上讲,对于宇宙是有限的还是无限的,还没有定论;我们只是不知道而已。然而,我们所知道的是,我们所能观测到的宇宙部分必须是有限的。尽管我们在20世纪后半叶之前对宇宙的大规模结构几乎一无所知,但我们仍然知道,一个无限大的可观测宇宙根本不可能。

            早在19世纪,海因里希奥尔伯斯(Heinrich Olbers)就注意到了一个数学悖论。如果你处在无限的宇宙里,恒星和星系的密度是恒定的,那么你最终会看到,从你观察的每个方向发出的无限多的光。你会看到附近所有的星星,然后在星星之间的空间里,你会看到更远的星星。在这些星星之间的空间里,随着距离的增加,你会看到更多的星星。不管与它们的距离有多远——数百万、数十亿、万亿、万亿光年等等——最终,无论你在哪里看,你都会碰到一颗恒星。

            (上图说明:恒星的大小、颜色和质量各不相同,包括许多明亮的蓝色恒星,它们的质量是太阳的几十倍甚至数百倍。这在半人马座的开放星团NGC3766中得到了证实。如果宇宙是无限的,即使是这样的星团也不会显示恒星之间的“间隙”,因为一颗更远的恒星最终会填补这些间隙。)

            如果你愿意,可以用数学方式考虑一下。 如果恒星的数密度在整个空间中是恒定的,那么你将找到的恒星总数等于恒星密度乘以宇宙的体积。 一颗恒星越远,它就越暗:它的亮度随着反距离的平方 (~1/r2)而下降。

            但是,您在特定距离处可以看到的恒星总数与球体的表面积有关,而球体的表面积随着距离的平方而增加(球体表面积的公式为4r2)。将星数乘以每颗恒星的亮度,得到一个常数。 距离一定距离的亮度是一个特殊的值:让我们称之为B,两倍的距离,亮度也是B,三倍? 还是B,四倍? 还是B。

            如果宇宙密度均匀,你会在任何方向遇到无限多的恒星光

            现在把这个系列加起来:B+ B + B + B + ...等等。你能看出这是怎么回事吗?不幸的是,答案是走向无穷大。除非这个系列有一些截止点,否则每个方向的夜空亮度都会获得无限值。。

            早在19世纪,奥尔伯斯就用这一推理来得出结论,可观测到的宇宙不可能是无限的,但他不能肯定。毕竟,还有其他天文问题。一个常见的反对意见是,这种天真的分析没有考虑到客观存在的遮光尘埃,你只要看看银河系平面就能看到这些尘埃。即使在现代,我们许多最著名的天文景点都充满了遮光的尘埃。

            (上图说明:像我们银河系中发现的黑暗的、多尘的分子云,会随着时间的推移而坍塌,并产生新的恒星,其中最密集的区域形成了最巨大的恒星。然而,即使它后面有许多恒星,星光也不能穿透尘埃,它会被吸收。)

            在一个有限的宇宙中,尘埃可以与星光竞争,因为撞击尘埃的可见光被吸收并以较低的能量重新辐射。但是如果宇宙真的是无限的,奥尔伯斯悖论的问题就会出现在每一颗遮光尘埃中:每一颗尘埃都必须吸收无限量的星光,直到它也在它吸收的所有光的相同温度下辐射出来!

            (上图说明:从我们的角度来看,可观测的宇宙可能有460亿光年,但肯定还会更远,甚至可能是无限的。宇宙可能是无限的,但我们只能看到138亿年来的光:大爆炸以来的时间。)

            我们知道,宇宙不可能是静止的、无限的和充满了永远闪耀的星星。如果是这样的话,在所有的地方和方向,夜空将永远是永远的明亮。显然,这里还有其他工作要研究。

            事实上,由于对太空认识的限制,奥尔伯斯在他那个时代根本不可能知道的,并不是宇宙的范围不是无限的(它仍然可以是无限的),而是它在无限长的时间内不会以当前的形式返回。我们今天居住的宇宙有一个开始,这个开始被称为大爆炸,它为所有可能存在于可观测宇宙中的物质、辐射、能量和光划出了一条起始线。

            艺术家对可观测宇宙的对数尺度概念图

            (上图说明:星系让位给了大规模的结构和边缘地带创世大爆炸的炽热、稠密的等离子体。试图弄清楚可见宇宙中有多少星系是我们这个时代的一大宇宙任太阳被遮挡了,银河系中还有其他发光恒星,为什么夜空还这么黑?务。)

            宇宙不是永远存在,因此我们只能观测到距离特定和有限距离的恒星和星系。因此,我们只能从它们获得有限数量的光、热和能量,我们的夜空中不能有任意大量的光。

            但这又引出了另一个难题。如果像大爆炸所说的那样,宇宙在早期是热的、稠密的、充满物质和辐射的,那么早期的辐射最终应该会到达我们的眼睛。无论我们往哪里看,无论从哪个方向看,都不应该有辐射逃逸。

            事实上,根据现代观测,我们可以计算出今天宇宙中还剩下多少光子,答案是每立方厘米的空间有411个光子。如果你问我们为什么不检测到它,答案是我们一直这样做。如果你要带一台非常老式的电视,一台带有兔耳天线的电视,深入到星际空间的深处,远离任何恒星或地面无线电源,你可以把它调到3频道。你可以看电视屏幕上布满了“雪花点”,这就是来自大爆炸的辐射。

            (这台老式电视机上有老式的天线,用来接收电视信号。在地球上,只有一小部分"雪花"信号,大约1%,是由于大爆炸的辐射。)

            事实上,我们确实从大爆炸中接收到了这种光,而且它在天空中以一种不可避免的方式被发现。你肉眼看不到它,是因为宇宙在宇宙历史的进程中不断膨胀,所以这一曾经可见的光现在已经转变成如此长的波长,以至于你的眼睛看不到它们,你的皮肤感觉不到它们,你的身体也无法检测到它。

            但是你的微波和无线电天线可以接收到它们。事实上,这就是这种辐射最初被发现的方式,也是大爆炸最初被证实的方式:一个巨大的无线电天线,无论操作它的科学家在何时何地寻找这个信号,都能够接收到这个信号。如果我们的眼睛已经适应了微波或无线电波,事实上,我们会看到一个明亮的“夜空”,它在各个方向上都是均匀明亮的,在任何地方都没有黑点。

            如果我们能用眼睛看到微波,整个夜空看起来就像绿色的椭圆形。

            它需要两个事实,一起解释为什么夜空是黑暗的。第一个是宇宙只存在太阳被遮挡了,银河系中还有其他发光恒星,为什么夜空还这么黑?了有限的时间,这限制了我们目前可观测到的辐射的范围和数量。第二,我们只能看到电磁光谱的有限部分的光,那就是可见光部分。

            相反,如果我们能用微波广春鹿业光观察天空,天空在任何时候,都从四面八方闪烁着光芒。有点讽刺的是,夜晚在人类眼中看上去显得黑暗,那是因为我们人类眼睛对光局限性所导致。

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