Proč je v noci tma?

Proč je v noci tma? Proč na nebi nezáří nekonečné množství hvězd, když jsme součástí nekonečného vesmíru? Moderní věda nabízí hned tři vysvětlení jevu, který v bezesných nocích zaměstnával celé generace našich předků. 

Zdrojem světla na Zemi je Slunce. Díky tomu, že se Země otáčí kolem své osy, dostává světlo a tím i potřebnou energii střídavě celý zemský povrch. Slunce zdánlivě putuje po nebi poté, co vyšlo na východním obzoru. Když zapadlo za západním obzorem, Sluneční světlo mizí. Na obloze zůstávají jen tisíce hvězd. 

Ty jsou podobné Slunci – jsou jen hodně vzdálené, takže se jejich světlo zdá mnohem slabší. Ve vesmíru je jich ale obrovské množství – a vesmír je přeci nekonečný! V nekonečném vesmíru by tedy mělo existovat nekonečné množství hvězd, které zaplní každý centimetr oblohy. Ta by pak měla teoreticky celá zářit podobně jako naše Slunce. Jak to, že nic podobného nepozorujeme? Proč je v noci tma?

Když probíhala v roce 1610 debata o tom, zda je možné, aby vesmír nekonečný, byl to Johannes Keppler, kdo proti nekonečnosti vesmíru argumentoval právě noční tmou. Kdyby na nebi bylo nekonečné množství hvězd, muselo by celé zářit a i v noci by muselo být takové světlo jako ve dne. Pro tehdejší fyziku byl tento argument nevyvratitelný.  

Dnes vidíme situaci trochu jinak. Jevu se dnes říká „Olbersův paradox“. Heinrich Olbers totiž v roce 1823 otázku znovu oživil. S novými znalostmi, konkrétně s objevem mezihvězdného plynu a prachu, nabídl i nové vysvětlení temné noční oblohy. „Oblaka mezihvězdné hmoty mohou světlo hvězd pohlcovat a tím odstínit“, byl jeho argument.

Dnes víme, i on se mýlil.  Je jen logické, že mezihvězdný prach by se pohlcováním světla hvězd musel nahřívat, a to až do té míry, že by sám začal zářit. Nakonec by tedy i plyn a prach musel k osvětlení našeho nočního nebe přispět, nikoliv ho snížit.

Počátkem 20. století, po objevu galaxie v Andromedě,  věda musela a znovu začít řešit dávno položenou otázku. Ukázalo se, že Vesmír není jen naše Mléčná dráha, obklopená obrovským prázdným prostorem. Vesmír je naopak obrovský prostor protkaný sítí hmoty, která se shlukuje do nespočetných galaxií, shluků galaxií a ještě větších útvarů, dnes nazývaných filamenty. Zářící hvězdy sice nejsou ve Vesmíru rozloženy pravidelně, v podstatě na tom ale nezáleží. V nekonečném vesmíru by přeci mělo existovat nekonečné množství galaxií, které by měly vyplnit každý kousek nebe. Jak to, že naše noční nebe nezáří stejně jako Slunce?

Odpověď na tuto otázku je zároveň jednoduchá i složitá.

Velikost vesmíru a jeho rozpínání

Náš pohled na nebe je pohledem no blízkého okolí. Dohlédneme jen tak daleko, jak je vesmír starý. Tento zvláštní jev je způsoben konečnou a konstantní rychlostí světla.

Světlo je nejrychlejším způsobem, jakým se dá v našem vesmíru přenášet informace. Ostatní částice, například i částice hmoty se mohou pohybovat maximálně touto (v našem Vesmíru platnou maximální) rychlostí.

Vesmír je starý zhruba 14 miliard let. Nejstarší světlo tedy může být staré zhruba 14 miliard let. Nejstarší a tím i nejvzdálenější informace, kterou můžeme na Zemi dostat, je proto stará a vzdálená 14 miliard (světelných) let. Všechno, co se ve vesmíru nachází ve větší vzdálenosti – je pro nás nepostřehnutelné.

Rozluštění hádanky tedy spočívá právě v tom, že se vesmír rozpíná, a to v každém svém bodě. Hodně vzdálené body se proto mohou navzájem vzdalovat větší rychlostí, než je rychlost světla. Hodně vzdálené hvězdy patří k té části vesmíru, kterou nikdy neuvidíme. Zmizela z našeho zorného pole, protože světlo, které k nám vysílají, putuje naším směrem menší rychlostí, než jakou jej od nás odnáší mezi námi právě nově vzniklý prostor.

I kdyby byl vesmír vyplněn nekonečným množstvím hvězd, z tohoto důvodu nebudeme nikdy vidět všechny – a už z tohoto důvodu budou na nebi vždy pozorovány oblasti, které nevyzařují žádné světlo.

Životnost hvězd

Teze, která předpokládá, že nekonečné množství hvězd musí vyplnit každý čtvereční centimetr nebe zářením, předpokládá zároveň, že hvězdy „žijí“ nekonečně dlouhou dobu beze změny. Realita je ovšem jiná. Hvězdy absolvují během svého vývoje řadu proměn, jejich záření kolísá a po uplynutí přesně dané doby končí svou kariéru, vybuchnou nebo poklidně vyhasnou.

Právě hodně hmotné a hodně zářivé hvězdy, které by mohly nejvíce osvětlit naše noční nebe, „žijí“ jen relativně krátkou dobu. Je tedy dobře možné, že se na osvětlování nočního nebe v minulosti už podílely a dnes jsou vyhaslé. I z tohoto důvodu nemůže být nikdy noční nebe jednolitě světlé a musí vykazovat oblasti, ze kterých k nám žádné světlo nepřichází.

Počet hvězd

Teorie zářivého nebe počítá s nekonečným vesmírem, ve kterém existuje nekonečné množství hvězd. Ve skutečnosti je počet hvězd ve vesmíru omezený. Vesmír je sice nekonečný, protože se neustále rozpíná, zároveň je v něm ale omezené množství hmoty, která se díky rozpínání  bez přestání ředí.

Je sice pravda, že neustále vznikají nové hvězdy, jejich množství ale už delší dobu klesá. Vědci odhadují, že maximální intenzita tvorby hvězd proběhla v prvních miliardách let po velkém třesku.

Nejen, že na našem nebi nemůžeme vidět nekonečné množství hvězd - postupem doby bude hvězd nadále ubývat.

A je v noci vůbec tma?

Tři výše zmíněné logické argumenty vysvětlují, proč je noční nebe temné. Následující otázka je tedy opravdu provokativní: „ Je vůbec v noci tma?“

Přísně vzato – noční nebe vůbec není tmavé, rozhodně ne ve všech oblastech spektra.

Elektromagnetické záření, ke kterému patří i viditelné světlo, může zahrnovat fotony s různou vlnovou délkou. Právě v oblasti s vlnovou délkou kolem jednoho milimetru je noční nebe kompletně vyplněno zářením. Tzv. „reliktní záření“ je pozůstatkem Velkého třesku. Díky rozpínání vesmíru se záření, které před zhruba 14 miliardami let vyplňovalo celý vesmír, ochladilo z původních 3000 K (stupňů Kelvina) na dnešních 2,7 K. Dnes je „vidět“ jen ve speciálních teleskopech, které umějí zaregistrovat právě tyto vlnové délky. Tma nočního nebe je tedy, stejně jako mnohé v naší realitě - relativní.

Na nočním nebi vidíme zhruba 6000 hvězd (3000 na severní a 3000 na jižní polokouli). Jsou od nás vzdáleny zpravidla jen několik set světelných let. Pokud chceme zahlédnout hvězdy vzdálenější, musíme ozbrojit své oči teleskopy. A je to možná dobře. Vesmír by jistě nebyl tak napínavou záležitostí, kdyby nebylo tak těžké odhalovat jeho tajemství.