宇宙有大量恒星,为什么天空依旧是黑暗的?在地球上,每当夜晚来临,我们就会看到漆黑的天空,只有在周围环境非常黑暗的情况下,我们才能...
宇宙有大量恒星,为什么天空依旧是黑暗的?
在地球上,每当夜晚来临,我们就会看到漆黑的天空,只有在周围环境非常黑暗的情况下,我们才能看到夜空中点缀着明亮的星星。
宇宙中拥有大量恒星,这些恒星能够持续释放大量的光和热,仅仅在银河系,就有数十亿颗恒星,我们的夜空,其实应该是非常明亮的。为什么地球的夜晚是黑暗的呢?答案和光线不足完全没有关系,银河系的恒星光线,也足以24小时照亮地球。
宇宙膨胀,导致人类无法察觉到光线:宇宙恒星很多,但是地球夜晚却依旧是黑暗的,这个矛盾被天文学家称之为奥尔伯斯悖论。天文学家认为可以通过宇宙膨胀解释这一现象。
根据哈勃深空望远镜观察到的宇宙红移情况,我们所处的宇宙,距离地球越远的空间,膨胀速度越快,因此宇宙边界的膨胀速度,很有可能已经超越光速。宇宙的膨胀速度不断加快,膨胀速度超越光速的宇宙空间会越来越大,因此到达地球的恒星光线会越来越少。
随着宇宙的膨胀,遥远星系的光线,会逐渐变成红外线,超越人眼的观测范围,因此人类肉眼观察到的天空是黑暗的,但用红外线观测设备,就可以看到大量“隐身”的光线。
随着天文学家对宇宙天体的观测,科学家发现宇宙中很多天体本身就会发出红外线和紫外线,这些光线人眼都无法观察,如果我们可以看到的光线范围增加,那么地球的夜晚也会变得更明亮。
宇宙空间缺少光线的散射效应:宇宙黑暗的另一个原因,是因为宇宙空间是一个近乎完美的真空空间。白天的地球,可以看到蓝色的天空,这是因为地球大气层对光线进行了散射,而人眼对蓝色的敏感度最高,因此天空看起来偏蓝。
光线在被大气层散射的同时,也让太阳光可以均匀照射到地球表面,但是宇宙是一个真空环境,光线从发射源会直接照射到接收地,光线在宇宙中的传播,基本不会发生散射效应,因此绝大多数的恒星光线,无法散射到地球,地球只能接收到直接照射的光线。
简单来说,在地球上,我们不需要直视太阳,也可以通过大气层、物体的散射效应,接收到太阳的光线,但是在宇宙中,我们必须直接看到恒星,才能接收到恒星的光线。绝大多数的恒星光线无法直接到达地球,因此只能看到黑暗的宇宙。
虽然宇宙的黑暗基本可以用科学解释,但是目前人类对宇宙的光亮来源依旧存在误差,根据天文学家的观测,目前宇宙的亮度,是预测值的2倍,这说明宇宙还存在大量未知的光源,而这些神秘的光源,需要长时间的观察和探索。
总结:宇宙中虽然有大量恒星,但是由于宇宙膨胀和天体自身的特点,很多光线永远无法传递到地球,传递到地球的红外线和紫外线,人眼也无法察觉,只能看到“黑暗”。
由于宇宙是一个近乎完美的真空空间,宇宙中传播的光线无法得到有效的散射,这也让地球很难接收到所有恒星的光线,因此当地球的夜晚来临,我们可以看到黑暗的天空,夜色也可以帮助我们入睡。
宇宙留给地球黑暗的夜晚,但是人类科技却让地球夜晚的光污染越来越严重,保护地球环境,保护自然环境,也是我们需要完成的任务~
为什么星星那么多,宇宙还是黑色的?
奥伯斯提出的答案是,星际空间中存在吸光的物质,这当然是错误的,因为能量是守恒的,不管是什么物质,吸收能量之后,最终一定要把能量释放出来,吸收能量会导致温度上升,最终把能量辐射出来。
实际上,只要你认为宇宙是无限的,同时是均匀静态的,通过积分,,一定可以得出天空应该是明亮的,这也很好理解。
严格来说(从数理上来说),奥伯斯佯谬要满足四个条件:
1. 宇宙是均匀的,即天体在宇宙中的分布和单位时间发出的能量分布到整个宇宙是大致相同的;
2. 宇宙是无限大的;
3. 天体发射能量的平均值,不随时间变化;
4. 宇宙是静态的,不会随时间变化。
而我们现在对奥伯斯佯谬的解释是建立在宇宙大爆炸理论上的。我们发现,宇宙在膨胀并在过去曾将快速膨胀,即宇宙暴涨。即,今天的宇宙比昨天更大,这意味着,顺着时间往上,宇宙存在一共起点,这就是奇点,即宇宙从奇点开始,奇点爆炸以后快速膨胀,直到今天。宇宙大爆炸理论会带来两个问题。
一是宇宙并非是无限大的,直到我们能观测到的宇宙不是无限大的,我们的可观测宇宙半径约为460亿光年,关于可观测宇宙大小的推导非常复杂,就不展开了,总之,由于宇宙膨胀,以我们为观测者,在可观测宇宙的边界,天体正以光速远离我们,对我们而言,他们的光线永远无法到达这里,因此,我们看不到这些天体的光。这里再进一步解释一下,光速最快是对局域参考系而言的,即你相对你周围的物体的速度不能超过光速,但宇宙膨胀的是全空间的固有属性,与相对论无关,因此,可观测宇宙边缘的天体对我们有一个额外的速度增量,这个增量来自宇宙膨胀,而他们离我们的距离太过遥远,这并不违反相对论。总之,可观测宇宙边缘或之外的天体正以光速甚至超光速远离我们是符合狭义相对论的,我们能观测到的宇宙大小是有限的,我们能看到的天体也是有限的。
二是辐射红移,由于宇宙在膨胀,离我们越远的天体,正在加速远离我们,由于多普勒效应,这会导致远处的天体发射的光子往长波方向移动,即我们观测到的远方的天体的光子波长增加,频率变小。即能量在变小。
因此,实际是我们只能观测到有限的天体,接受有限的天体的光线,这些光线能量还在减小,所以,我们的夜空并不是明亮的,而是黑暗的。
当然,这是建立在宇宙大爆炸理论上的解释,宇宙大爆炸理论本身也有一些未解决的问题。
宇宙中拥有如此之多的恒星系为什么太空看上去仍是一片漆黑?
宇宙中有那么多恒星多到无法计算,可宇宙为什么那么寒冷黑暗?
宇宙中虽然有无数颗恒星,但是宇宙实在太广袤了,恒星之间的距离非常遥远,恒星辐射出来的热量在传播很远距离后,能量密度变得非常低,导致宇宙深空中的温度基本接近绝对零度。
在地球轨道上的人造卫星都会面临这样一个问题,就是在向阳面温度会上升到100℃,需要考虑卫星的散热;而在背阳面温度会下降到-100℃以下,需要考虑卫星的保温;一些航天器会使用复合材料,也就是我们看到卫星上金灿灿那层,这层材料在向阳面能反射大部分太阳光防止过热,在背阳面还能具有保温功能。
出现这种差异和太阳辐射有关,太阳每秒钟辐射出4x10^26J的能量,这些能量在传播很远距离之后,能量密度会变得非常低,与距离呈二次方衰减。
在太空中,热传导和热对流都不存在,热量的传递方式只有热辐射,根据热力学定律,任何物体都会向外辐射能量,同时也会接收来自其他物体的热辐射。
于是远离太阳的一定距离上,物体的向阳面会吸收太阳光能,同时也会向外辐射能量;在物体的背阳面,物体也会向外辐射能量,但是从宇宙微波辐射(2.7k)中吸收的能量非常少。
在向阳面,物体辐射能量的大小和自身温度有关,当物体辐射能量与吸收太阳能量相同时,就达到了辐射平衡;在地球轨道上,向阳面的热辐射平衡温度是100多℃,这也是人造卫星向阳面能达到的最高温度。
在冥王星轨道处,太阳辐射密度不到地球轨道处的千分之一,使得冥王星处的热辐射平衡温度低至零下100摄氏度,加上背阳面没有太阳辐射,所以冥王星表面的平均温度低至-223℃。
明白以上原理后,要知道宇宙中恒星间的距离是非常遥远的,比如距离太阳最近的恒星比邻星有4.2光年,是太阳到冥王星距离的7000多倍,在恒星之间的宇宙深空中,恒星辐射的能量密度是非常低的,所以即便有微弱的星光照耀着,温度也会变得非常低。
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