宇宙中有那么多恒星,为何太阳落山之后,天空就变黑了?

我们处所的银河系估测恒星的数量就有1000-4000亿个,而在可观测宇宙范围内,像银河系这样的星系起码有数万亿个之多,那么理论上在半径为465亿光年可观测宇宙内,恒星的数量可以达到10^23这样的级别。有的朋友不禁产生了疑惑,像太阳这样一个恒星,就可以将地球面向它的一侧完全照亮,那么为何宇宙中这么多恒星,当夜晚的时候,没有将地球照亮或者天空为何是黑的呢?相信大家的第一直觉反应就是,其他的恒星距离地球太远,光线在传输过程中衰减得非常厉害。其实原因并非如此简单,如果按照宇宙中的物质是各向同性均匀分布、处于静态的观点,整个宇宙应该是完全明亮的,相信这个结果大家都非常震惊吧。

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其实,早在19世纪20年代,就有科学家提出了这个问题,这位科学家就是德国科学家-奥伯斯,他假设我们处所的宇宙空间,是完全静止、均匀和无限的,如果令恒星的平均光度为Ln,恒星在宇宙中的空间数密度为n,那么在地球上,我们接收到的恒星发出光线的总照度可以用如下公式计算:

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那么,当宇宙空间尺度无限大,即式中的r为无穷大时,我们可以发现地球所接收到的恒星总照度也趋向于无穷,显然这是不可能的,这个推导的过程就是科学界常说的奥伯斯佯谬。它所表达的观点,简单说就是在一个静止、均匀、无限的宇宙模型下,会出现黑夜与白天一样亮的推导结论,这与我们实际上观察到夜空却是黑的相矛盾。

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在奥伯斯提出这个观点之前,其实牛顿也根据当时科学界普遍认为的宇宙基本特性:均匀、静止的,以此为前提,假设宇宙的整体密度为ρ(不随着时间和空间的变化而变化),将可观测宇宙视为一个半径为R、质量为M的球体,那么相对于球心处,球体边缘的引力势能为:

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那么,当R趋向于无穷大时,则边缘处的引力势能也趋向于无穷,这与牛顿万有引力大小与星体之间距离的平方成反比的结论相矛盾。在这种情况下,牛顿提出宇宙空间虽然是无穷大,但星体所受到的引力处于处处是平衡的结论,以此来消除这个与事实不符的佯谬。

但是,通过上面两位科学家提出相应佯谬的推导过程,我们不难看出,它们都将引力和光的传播速度视为无穷大,即瞬时传播。然而,无论是引力还是电磁波,其都有传播的速度上限-光速,如果考虑无限远星体的引力、无限远恒星发出的光线,那么在地球上所接收到所需要的时间也将是无限长,所以如果对于无限的空间来说,这两个推导过程是不严密的。

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与此同时,我们还需要考虑宇宙空间的膨胀效应。美国著名天文学家哈勃在长期观测的基础上,发现了来自遥远星系发出光线的光谱,有向红端移动的趋势,而且距离越远,红移现象越明显,因此提出了哈勃定律,即星系相对于地球的退行速度,与星系和地球的距离成正比,这个比值即为哈勃常数。2013年,科学家通过普朗克卫星,测算出哈勃常数值为每百万秒差距(326万光年)的区域,星系相对于地球的退行速度约为68公里每秒。

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宇宙膨胀的结果目前已经被科学家们通过大量的实验和观测所证实,这种膨胀并非是物质的膨胀,而是空间的膨胀。在空间膨胀的影响下,来自遥远星系发出的光线,则会在空间的不断拉大下,从目标源达到地球所经历的路程也相应地延长。这也就造成了在宇宙大爆炸时,即空间膨胀的起点期-138亿年前,所发生的第一缕光线,经历了465亿年才到达地球,这个465亿光年就是我们所能观测到的可观测宇宙,在这个范围之外,由于空间退行速度大于光速,我们永远也接收不到它们发出的任何信息。

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因此,造成奥伯斯佯谬的主要原因,则来源于宇宙空间的膨胀,以及由此带来的电磁波传播速度的延长。而在空间膨胀效应的直接影响下,我们能够观测到的宇宙空间范围又是有限的,从而恒星的数量也是有限的,对于宇宙空间中的低物质密度来说(每立方米仅有数个质子的水平),按照黑体吸收能量的规律,星际物质也不可能吸收无穷多的能量,再加上电磁波在近乎真空中的传播势必会受到一定程度的阻挡,过程中会发生能量的吸收、反射等现象,相当于所有恒星体发出的光线,是通过了一个具有衰减作用的介质最后才到达地球的。

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因此距离越远的恒星发出的光线,受到空间膨胀效应的影响也就越大,能量损耗也就越多,最终到达地球的光线能量占比也就越低,我们看到的恒星也就非常有限了,所以当太阳消失以后,我们看到的夜空除了点点星光之外,几乎全是黑色的。

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