Miért van sötét éjszaka?

‘What a silly question!’ Gondolhatnánk. A nap lement, ennyi az egész. Nos, a válasz valóban ésszerűnek hangzik, de mint mindig, most is ennyi az egész?

A Földön az éjszakák természetesen sötétek. Ez nagyon jó. Sötétben tudunk aludni vagy más, erre alkalmas dolgokat csinálni. A sötét égbolt azt is lehetővé teszi, hogy jól megnézzük a nagy világegyetemet, és elgondolkodjunk azon, hogyan jött létre minden. A “Miért sötét az éjszaka?” kérdésre a válasz nem olyan egyszerű, mint “Mert a nap lement”. A kérdés az általunk ismert világegyetem eredetéhez kapcsolódik. Nem egyszerű, de gyönyörű.

A paradoxon

Ha a világegyetem statikus, végtelenül hatalmas, örökkévaló, és végtelen számú csillaggal van tele, akkor az égnek mindig ragyognia kellene, amikor az összes csillag ragyog. A csillagok fénye minden irányba terjedne, és végül a világegyetem minden szegletét érintené. Végül minden bolygó felszínének minden pontja, beleértve a mi Földünket is, állandóan a csillagok fényében sütkérezne. Az éjszakának akkor nem kellene sötétnek lennie. Az “éjszaka” szónak akkor valami egészen mást kellene jelentenie. Mindez igaz lenne, ha csak a valóság nem az lenne, ami van és mindig is volt: az égbolt éjszaka sötét. Miért? Egy német orvos-csillagász már 1823-ban feltette ezt a kérdést, és a kérdés az ő neve után “Olbers-paradoxon” néven vált ismertté.”

A statikus univerzum modell is azt javasolta, hogy a világegyetem homogén. Hatalmas léptékben ugyanannyi csillag bármely helyről nézve ugyanannyi térfogatot töltene ki a világegyetemben. Képzeljük el, hogy e modell szerint, ha az univerzumot egyenként egy fényév vastagságú, 1 milliárd fényév (csillagászati távolság) által elválasztott szakaszokra vagy héjakra szeletelnénk, akkor a megfigyelőtől távolabb eső héjakban egyre több csillag lesz.

A távolabbi héjak fénye természetesen halványabb lenne, mint a megfigyelőhöz legközelebbi héjé, de a távolabbi héjakban több csillag lenne. Így a megfigyelő ugyanannyi fényt látna a 2. kagylóból, mint az 1. kagylóból. Minden kagyló egy egységnyi fényhez járulna hozzá, ami összességében a megfigyelő által láthatóvá válna. Végtelen számú kagyló esetén minden vakítóan fényes lenne.

Az éjszakák a Földön csak akkor lennének olyan fényesek, mint a nappalok, ha helyes lenne az a feltételezés, hogy a világegyetem térben és időben végtelen és statikus. E modell szerint nem lenne sem kezdete, sem vége a világegyetemnek.

A világegyetem lehet, hogy végtelenül hatalmas, de nem végtelenül régi. Volt egy pont az időben, amikor minden létrejött. Ez a felfogás végül megmagyarázza, hogy miért sötét az éjszaka.

A fény körülbelül 1080 millió kilométer per órával halad gyorsan. A világegyetemben semmi sem haladhat gyorsabban a fénynél. De a fénynek mégis időbe telik, amíg hatalmas távolságokat tesz meg. Az égbolt azért sötét éjszaka, mert a kezdetektől fogva a távoli csillagok fényeinek egy része még nem jutott el hozzánk, ahogy azt Edgar Allan Poe 1848-as Eureka című esszéjében fejtegette.

Ha a csillagok egymásutánja végtelen lenne, akkor az ég háttere olyan egyenletes fényességet mutatna nekünk, mint amilyet a Galaxis mutat – hiszen az egész háttérben egyáltalán nem lehetne olyan pont, ahol ne létezne egy csillag. Az egyetlen mód tehát, amellyel ilyen körülmények között felfoghatnánk azokat az ürességeket, amelyeket a távcsöveink számtalan irányban találnak, az lenne, ha feltételeznénk, hogy a láthatatlan háttér távolsága olyan óriási, hogy még egyetlen sugár sem tudott eljutni hozzánk. – Edgar Allan Poe, Eureka

A Nagy Bumm elmélete és a világegyetem tágulása

Vannak dolgok, amelyeket a statikus világegyetem modellje nem tud megmagyarázni. Az új technológiák segítségével a tudósok és a csillagászok egyre több árulkodó bizonyítékot találnak arra, hogy a világegyetem nem statikus. A megfigyelések azt sugallták, hogy a világegyetem tágul. Ráadásul nagyon gyors ütemben. Valaminek réges-régen kellett ezt a tágulást előidéznie. Talán egy nagy robbanás? Poe intuitív nézete, miszerint a világegyetemnek véges kora van, szintén alátámasztotta ezt a spekulációt, mert ez arra utal, hogy a világegyetemnek van kezdete. Belép a Big Bang elmélet.

A Big Bang elmélet azt mondja, hogy a világegyetem egy adott időpontban nagyon forró hely volt. A legforróbb hely a világegyetemben (duh!) Nagyon sűrű is volt. Aztán megtörtént a bumm. Az összes anyag a “kozmikus őslevesben”, ami nem sokkal a bumm után keletkezett, elkezdett lehűlni. Az anyag ezután szubatomi részecskékké, majd atomokká – a csillagok építőköveivé – és minden mássá sűrűsödött.

A kezdet kezdet kezdetén a világegyetem feltehetően nagyon fényes, de átlátszatlan volt, mert a szabad elektronok nem engedték volna a fényt olyan messzire eljutni. Lehűlve a világegyetem egyre átlátszóbbá vált. Ezzel egyidejűleg a világegyetem tágult. Minden, ami benne volt, elkezdett eltávolodni egymástól. A tágulás olyan gyors volt, hogy a világegyetemben korábban keletkezett csillagok és galaxisok fényei elnyúltak. Ezt a jelenséget “kozmológiai vöröseltolódásnak” nevezik. A “vöröseltolódás” kifejezés onnan ered, hogy amikor a fény hullámhossza megnyúlik, amikor a világegyetem tágul és lehűl, a fény színe vörösebb lesz, mivel a hullámhossza hosszabb lesz, és az infravörös tartományba esik, ami miatt az energiája csökken a világegyetem lehűlését követően.

Amikor csillagokat vagy galaxisokat nézünk, a múltjukba tekintünk. Ez azért van így, mert a fénynek évekbe telik, amíg eljut ezekből az objektumokból hozzánk. A kozmológiai vöröseltolódásból a tudósok azt is felfedezték, hogy minél messzebb van tőlünk egy csillag vagy galaxis, annál gyorsabban távolodik. A legtávolabbi megfigyelhető égitest csak az elektromágneses spektrum infravörös tartományában látható. Amikor a Hubble-teleszkóp lefényképezte az eXtreme deep field (XDF) képet, ezt infravörös érzékelőkkel tette, hogy felfedje az univerzum legtávolabbi csillagokat és galaxisokat, amennyire a jelenlegi technológiánkkal megfigyelni tudjuk.

A másik bizonyíték, amely az ősrobbanás elméletét alátámasztja, a tudósok által 1965-ben véletlenül felfedezett kozmikus háttérsugárzás, amely a mikrohullámok és rádióhullámok formájában a világegyetemben elterjedt maradék sugárzás. Ezek a sugárzások sokkal jobban elnyúlnak, mint a legtávolabbi megfigyelhető csillagok és galaxisok fényei. Hullámhosszuk hosszabb, mint az infravörös tartományoké. A kozmikus háttérsugárzás más szóval az ősrobbanás idején kibocsátott sugárzás lehűlt változata. Ez a legrégebbi megfigyelhető sugárzás. Úgy is tekinthetünk erre a sugárzásra, mint a világegyetem pillanatfelvételére az ősrobbanás idején, azaz körülbelül 14 milliárd évvel ezelőtt.

A rövid válasz arra a kérdésre, hogy “miért sötét az éjszaka?”

A tanulság az, hogy az éjszakai égbolt azért sötét, mert nem látjuk a távoli csillagok és galaxisok fényeit, mivel azok olyan gyorsan távolodnak tőlünk, hogy fényük megnyúlik és infravörös fénnyé válik. A világegyetem összes csillagának fényei sem érnek el minket végül a mi életünkben, egyszerűen azért, mert túl messze vannak. De valójában az egész “megfigyelhető világegyetemet” egyszerre világítja meg mindenféle, a szemünk számára láthatatlan sugárzás, és még mindig tele van felfedezésre váró csodákkal.