Ak je vesmír plný hviezd, každý pohľad by mal skončiť na niektorej z nich a nebo by horelo ako povrch Slnka. Nehorí. Hviezd nie je málo, ale ich svetlo malo na vyplnenie oblohy neporovnateľne menej času, než by potrebovalo.
Hádanka, ktorú si kládol Kepler
V hustom lese nevidíte ďalekú krajinu. Kamkoľvek sa pozriete, narazíte na kmeň. Vesmír by sa mal správať rovnako: ak je nekonečný, nemenný a rovnomerne obsadený hviezdami, každý smer pohľadu musí raz skončiť na povrchu nejakej hviezdy. Nočná obloha by bola jasná ako Slnko.
Otázka je staršia, než sa zdá. Dotkol sa jej už Thomas Digges v roku 1576, Johannes Kepler v nej videl argument proti nekonečnému vesmíru, neskôr sa jej venovali Halley a de Chéseaux. Meno nesie po Heinrichovi Olbersovi, ktorý ju v roku 1823 spopularizoval, hoci prvý nebol.
Olbers navrhol riešenie: svetlo vzdialených hviezd pohlcuje medzihviezdny prach. Neobstojí. Prach, ktorý pohlcuje energiu, sa zahrieva, až sa rozžiari sám. Problém sa len presunie.
Aritmetika temnoty
Vráťme sa k lesu. Aby hviezdy rozžiarili celú oblohu, svetlo by sa muselo v priestore nahromadiť až na úroveň povrchu hviezd. Na to potrebuje čas. Podľa Edwarda Harrisona by v statickom vesmíre s rovnomerne rozloženými hviezdami museli hviezdy svietiť rádovo 10²³ rokov, aby hustota žiarenia dosiahla úroveň hviezdneho povrchu. Rovnaký rád má aj stredný čas, ktorý uplynie od vyžiarenia fotónu po jeho pohltenie nejakou hviezdou. Je to číslo s dvadsiatimi troma nulami.
Vesmír má približne 13,8 miliardy rokov, teda asi 10¹⁰. V porovnaní s touto časovou mierkou je to nepatrný zlomok. Žiarenie jednoducho nemalo dosť času nahromadiť sa do intenzity, ktorá by rozžiarila oblohu na úroveň hviezdnych povrchov.
Súvisí s tým aj hranica toho, čo vidíme. Polomer pozorovateľného vesmíru je dnes približne 46 miliárd svetelných rokov, teda viac než 13,8, lebo sa priestor počas letu svetla rozpínal. Svetlo z oblastí, ktoré ležia za dnešnou hranicou pozorovateľného vesmíru, k nám zatiaľ nedorazilo.
Túto myšlienku vyslovil už v roku 1848 Edgar Allan Poe vo svojej Eurece, skôr intuitívne než fyzikálne. Lord Kelvin sa k problému vrátil v roku 1901 a ukázal, že konečný čas žiarenia hviezd je pre výslednú intenzitu svetla zásadný.
A čo rozpínanie vesmíru?
Býva uvádzané ako hlavné vysvetlenie, ale na základné vyriešenie paradoxu nie je nevyhnutné: aj statický vesmír s konečným vekom by mal tmavú oblohu. V skutočnom vesmíre však hrá svoju úlohu. Kozmologický červený posun predlžuje vlnové dĺžky fotónov a znižuje ich energiu, takže vzdialené žiarenie nepozorujeme v pôvodnej podobe.
Samotná konečná životnosť jednotlivých hviezd však ešte nestačí na vyriešenie paradoxu, ak by v nekonečne starom vesmíre neustále vznikali nové hviezdy a žiarenie sa mohlo hromadiť bez obmedzenia. Rozhodujúca je celková história tvorby a vyžarovania hviezd.
Dá sa tma zmerať?
Tmavá obloha neznamená nulové svetlo. Svetlo všetkých galaxií, ktoré vesmír vyžiaril za svoju históriu, sa sčítava do slabej žiary, ktorú astronómovia nazývajú kozmické optické pozadie. Zo Zeme sa však toto pozadie meria mimoriadne ťažko, pretože ho prekrýva najmä zodiakálne svetlo, teda slnečné svetlo rozptýlené na medziplanetárnom prachu.
Preto sa vedci obrátili na sondu New Horizons. Po prelete okolo Pluta v roku 2015 mierila hlbšie do vonkajšej slnečnej sústavy. V prvom meraní z roku 2021 namerala vo vzdialenosti 42 až 45 astronomických jednotiek od Slnka (viac než 40-násobok vzdialenosti Zem – Slnko) oblohu približne desaťkrát tmavšiu, než je najtmavšia obloha dostupná Hubblovmu teleskopu. Ani tam však meranie nebolo jednoduché: vedci museli odčítať svetlo hviezd, slabých galaxií a prachu v našej Galaxii.
Nová analýza z roku 2024 využila pozorovania viacerých oblastí oblohy a spresnila najmä odhad rozptýleného galaktického svetla. Výsledok ukázal, že známe galaxie dokážu vysvetliť väčšinu nameraného kozmického optického pozadia. Zvyšný rozdiel nie je štatisticky významný. Najjednoduchším vysvetlením je teda, že toto pozadie tvorí svetlo galaxií.
Olbersova tma je teda merateľná. Nie je nulová, ale zodpovedá tomu, čo čakáme od mladého a rozpínajúceho sa vesmíru.
Paradox, ktorý sa predsa len naplnil
Na prvý pohľad sa pôvodná hádanka predsa len naplnila. V každom smere však pozorujeme žiarenie z veľmi vzdialenej oblasti raného vesmíru. Nejde o stenu hviezd ani o skutočný okraj vesmíru. Je to takzvaný povrch posledného rozptylu: oblasť raného vesmíru, z ktorej k nám prichádzajú fotóny kozmického mikrovlnného pozadia. Skorší vesmír bol pre elektromagnetické žiarenie nepriehľadný.
Približne 380-tisíc rokov po Veľkom tresku sa vesmír ochladil natoľko, že elektróny a protóny mohli vytvoriť neutrálne atómy. Fotóny sa odvtedy mohli voľne šíriť priestorom. Žiarenie malo vtedy spektrum zodpovedajúce teplote približne 3000 kelvinov. Počas rozpínania sa jeho vlnové dĺžky predĺžili približne 1100-násobne. Dnes ho pozorujeme ako kozmické mikrovlnné pozadie s teplotou 2,725 kelvina.
Keby sme dokázali vnímať mikrovlnné žiarenie, videli by sme oblohu vyplnenú takmer rovnomerným žiarením zo všetkých smerov. Tma nad nami nie je prázdnota. Je to hranica pozorovateľnosti, nie hranica existencie vesmíru.
Vedeli ste?
- Poe bol pred fyzikmi. Eureka (1848) obsahuje podstatu správneho riešenia, hoci bez výpočtu.
- Náhodný objav. Reliktné žiarenie objavili Penzias a Wilson pri skúmaní rušenia antény (merania 1964, publikácia 1965). Nobelovu cenu za fyziku dostali v roku 1978.
- Šum na obrazovke. Malá časť šumu na nenaladenom analógovom televízore súvisela aj s kozmickým mikrovlnným pozadím. Nebol to však jediný zdroj.
- Prebytok, ktorý sa vysvetlil. Prvé meranie New Horizons z roku 2021 ukázalo viac svetla, než by sa dalo vysvetliť známymi galaxiami. Presnejšie meranie z roku 2024 ukázalo, že pôvodný odhad mal väčšiu neistotu pri rozptýlenom svetle našej Galaxie.
Zdroje a odporúčaná literatúra
- Harrison, E. R. (1965). „Olbers’ Paradox and the Background Radiation Density in an Isotropic Homogeneous Universe“. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 131, 1–12. DOI: 10.1093/mnras/131.1.1
- Harrison, E. R. (1984). „The dark night-sky riddle: a ‘paradox’ that resisted solution“. Science, 226, 941–945.
- Harrison, E. R. (1987). Darkness at Night: A Riddle of the Universe. Harvard University Press.
- Harrison, E. R. (1990). „The Dark Night-Sky Riddle, ‘Olbers’s Paradox’“. IAU Symposium 139. Cambridge University Press.
- Lauer, T. R. et al. (2021). „New Horizons Observations of the Cosmic Optical Background“. The Astrophysical Journal, arXiv:2011.03052.
- Postman, M. et al. (2024). „New Synoptic Observations of the Cosmic Optical Background with New Horizons“. The Astrophysical Journal, 972, 95. DOI: 10.3847/1538-4357/ad5ffc
- University of Oxford: Philosophy of Cosmology, Olbers’ Paradox.
- NASA: Big Bang and the Evolution of the Universe.
- Nobel Prize: Physics 1978.
- American Physical Society: Discovery of the CMB.
- Lawrence Berkeley National Laboratory: Olbers’ Paradox, https://aether.lbl.gov/www/classes/p10/Olbers.html
