1823年5月7日,黎明在德国城市不来梅升起时,海因里希·奥尔伯斯(HeinrichOlbers)对一篇让他名垂青史的文章进行了最后润色。在他的妻子和女儿去世后,奥尔伯斯博士最近放弃了他作为眼科医生的工作,全身心投入到他夜间的激情:星星、月亮、陨石和彗星。

一个改变我们对宇宙理解的问题的200年历史

像他的许多同龄人一样,奥尔伯斯接受了天文学方面的训练。他在学术界享有盛誉,并在他家二楼的天文台度过漫长的夜晚观察天空。

那天早上,奥尔伯斯得出了一个奇怪的结论:根据当时对宇宙的所有了解,夜空不应该是黑暗的。事实上,整个天空应该像太阳一样明亮。

奥尔伯斯并不是第一个注意到这一悖论的人。但他的名字是我们今天附加的名字。从奥伯斯和诗人埃德加爱伦坡到今天20世纪的天文学家和太空探测器,夜空的黑暗之谜已经回荡了几个世纪。

无限宇宙中的有限光

和他同时代的许多人一样,奥尔伯斯追随艾萨克·牛顿和勒内·笛卡尔,相信宇宙是无限的。

如果宇宙是有限的和静止的,引力应该把所有的恒星聚集在一个中心点。但是,如果宇宙永远延伸下去,那么各个方向的引力平均都会保持平衡。

但奥尔伯斯意识到这种宇宙模型与观测结果不一致。在一个充满无限数量星星的无限宇宙中,无论我们在晚上看哪里,我们的目光都应该落在星星的表面,就像森林中的每条视线都落在一棵树上一样。

这就是奥尔伯斯在1823年5月7日的论文中提出的问题:当时的宇宙学模型表明天空中的每一点都应该像太阳表面一样明亮。应该没有黑夜。

奥尔伯斯提出了一个解决方案:来自更遥远恒星的光被漂浮在太空中的尘埃或其他物质吸收。英国天文学家约翰·赫歇尔后来指出这是不对的,因为吸收那么多光的任何东西最终都会升温到足以发光。

当奥尔伯斯于1840年3月2日去世,享年81岁时,我们今天所知的奥尔伯悖论之谜尚未解开。

诗人的直觉

八年后,在大西洋的另一边,诗人兼作家埃德加·爱伦·坡认为他找到了答案。1848年2月3日,他在纽约社会图书馆向60人发表了关于他的思想的公开演讲。

在形而上学和科学之间转向,Poe认为宇宙是从单一的物质状态(“一体性”)出现的,这种物质在排斥力的作用下分裂和分散。

这意味着宇宙是一个有限的物质球体。如果有限的宇宙由足够少的恒星组成,那么我们将不会在我们观察的每个方向都看到一颗恒星。夜可能又黑了。

即使我们假设宇宙是无限的,如果它始于过去的某个时间点,那么光到达我们所花费的时间也会限制我们所能看到的宇宙的大小。这段旅行时间将创造一个地平线,超过这个地平线,遥远的星星将无法到达。

坡在纽约社会图书馆的听众并没有给他所希望的热烈欢迎。同年晚些时候,他在散文诗《尤里卡》中发表了他的理论,该诗很少流传。

第二年,即1849年10月7日,坡去世,享年40岁。一个多世纪后,科学家们才证实了他对黑暗夜空之谜的直觉。

当通过微波辐射观察时,我们的银河系主宰了天空。但在它的背后,我们可以看到宇宙微波背景的微弱光芒。图片来源:ESA、HFI和LFI联盟,CCBY

两个半事实

在20世纪上半叶,在爱因斯坦广义相对论的推动下,许多新的宇宙理论得以发展,该理论以新的方式解释了引力、空间和时间。本世纪下半叶,这些宇宙学理论开始接受观测检验。

1963年,英国天文学家彼得·舒尔(PeterScheuer)认为宇宙学仅基于“两个半事实”:

事实1:夜空是黑暗的,这已经有一段时间了

事实2:星系正在彼此远离,如哈勃1929年发表的观测结果所示

事实2.5:随着宇宙时间的展开,宇宙的内容可能正在演化。

关于事实2和2.5解释的激烈争论在1950年代和60年代激怒了科学界。宇宙本质上是静止的,还是从一场巨大的爆炸——大爆炸——开始的?然而,双方的支持者都承认,他们需要解释夜空的黑暗。

星星的一生

英国宇宙学家爱德华·哈里森在1964年解决了这个矛盾。他表明,决定夜空亮度的主要因素实际上是恒星的有限年龄。

可观测宇宙中的恒星数量极其庞大,但却是有限的。这个有限的数量,每一个都燃烧有限的时间,分布在一个巨大的体积上,让黑暗在星星之间显现出来。

哈里森后来意识到,这个解决方案不仅由埃德加爱伦坡提出,英国物理学家开尔文勋爵也在1901年提出。

80年代的观察证实了Poe、Kelvin和Harrison提出的决议。奥尔伯的悖论终于平息了。

化石灯

或者也许不完全是。从另一个角度来看,这个悖论还有另一种解决方法:夜空实际上并没有那么黑。

在1920年代末发现宇宙膨胀后,科学家们意识到宇宙可能从极其紧凑、致密和炽热开始。这就是我们今天拥有的“热大爆炸”模型。

该模型的一个核心预测是宇宙黎明时释放的“化石光”的存在。今天应该可以观察到这种化石光——但不能用肉眼观察,因为膨胀的宇宙会将它转移到更长的波长。

这种辐射——宇宙微波背景辐射——是在1964年被发现的。现在经过精确测量,宇宙背景辐射是宇宙中最常见的光。

我们现在知道宇宙也被第二种背景光照亮,这种背景光由星系形成和演化时产生,这种背景光要微弱得多。这种光被称为宇宙紫外线、光学和红外背景。

因此,我们也可以回答奥尔伯悖论,说天空并不黑暗,而是在宇宙有限生命周期内的所有事物的暗淡遗迹辐射下发出微弱的微光。

新答案,新问题

2023年,奥尔伯悖论已经发展成为一个丰富的研究领域。在我们自己的工作中,我们对夜空的亮度进行了越来越精确的测量,并用超级计算机模拟了宇宙中的星星。我们现在可以非常准确地确定天空中星星的数量。

然而,谜团依然存在。去年,新视野号太空探测器在冥王星轨道之外并远离太阳系内部的尘埃,发现天空的亮度是我们预期的两倍。

因此,天空黑暗的问题跨越了时代和文化。