夜空为什么是黑色的?

仰望星空,时光倒流。一直回到最初的起点。
A person looks up at the Milky Way
它本不必如此。在一个永无起点、永无终结的宇宙中,天空会是耀眼的光芒。Pixabay
A person looks up at the Milky Way
它本不必如此。在一个永无起点、永无终结的宇宙中,天空会是耀眼的光芒。Pixabay

你可能曾好奇 天空为何是蓝色的。或者 是什么让日落呈现出绚丽的红色。这些鲜艳的色彩在自然界中格外醒目,引人探究。但你是否曾想过,为何夜空是黑色的?

这个问题初听上去似乎有些奇怪。“这就像在问水为什么是湿的一样,”布法罗大学(现正在瑞典斯德哥尔摩大学休假)的宇宙学家 Will Kinney 说。但几个世纪以来,夜空的黑暗一直让天文学家们困惑不解。他们称这个谜题为奥伯斯佯谬。

遥远的星星看起来黯淡,而极其遥远的星星则太微弱,以至于肉眼无法看见。但是,当哈勃望远镜这样的空间望远镜深入天空最黑暗的区域时,它们会发现大量极其微弱的星系。它们看得越深,发现的越多。如果宇宙是无限的,星星均匀分布——正如许多早期观星者所假设的那样——那么夜空将布满如此多的光点,以至于永远不会显得黑暗。

“星星无处不在的事实弥补了有些星星距离遥远的事实,”北卡罗来纳州立大学的天体物理学家 Katie Mack 说。在一个无限的宇宙中,无论你望向哪个方向,你的视线最终都会落在恒星的表面,整个天空都会像太阳一样明亮。

夜空的存在本身就证明了我们看到的星星并非无穷无尽。要理解为什么,可以想想光线是如何从遥远的恒星传播到你的眼睛的。

就像人和汽车一样,光也有速度,所以即使它移动得很快,也需要时间才能到达目的地。当你收到朋友度假寄来的明信片时,你得知的是他们寄出明信片时正在做的事情,而不是你读到它时正在做的事情。当你看着一颗行星、恒星或星系时,你也是在接收来自过去的信息,这些信息告诉你那个发光的天体在你接收到它发出的光时的状态。当你看着太阳(当然,要间接看)时,你看到的是它八分钟前发出的光。木星看起来是半小时前甚至更早的样子。

当你的目光越过太阳系时,你的时间之旅会加速。来自第二近恒星(仅次于太阳)的光需要四年多的时间才能到达地球,而看到肉眼可见的最远恒星则将你带回到 4000 年前。当天文学家研究邻近的仙女座星系时,他们看到的是它 250 万年前的样子。如果某种宇宙灾难在明天将其抹去,光也需要再过 250 万年才能将这一信息传回地球。

你越深入宇宙,就越能看到更遥远的过去。“宇宙学家非常幸运,”Kinney 说。“你可以看到宇宙的整个历史,呈现在一条整洁的线上。”

黑暗天空的谜团得以解决,是因为这段历史有一个开端——一个没有星星和星系的时间。许多宇宙学家认为,宇宙最初是一个非常小的点,然后像气球一样膨胀,这个事件被称为大爆炸。如果你看得足够远,你就能看到足够长的时间,接近大爆炸的时期。“你就是会用完所有的星星,”Kinney 说。“而且,从宏观上看,你会相对较快地用完星星。”

宇宙学家称这个早期时代为 宇宙黑暗时代。在此期间,正如你可能猜到的那样,太空相当黑暗。恒星才刚刚开始燃烧,一层厚厚的氢气云遮挡了仅有的那一点光。无论你的视力有多好——即将推出的 詹姆斯·韦伯望远镜 将拥有极其敏锐的“眼睛”——当你回溯到这个时期时,并没有多少东西可以看到。

当你仰望繁星点点的夜空时,你所看到的黑暗,在某种意义上,是那个早期时代遗留下来的黑暗。星星并不能照亮整个天空,因为我们能看到的部分宇宙是有限的——它不像早期天文学家所认为的那样无限延伸。“没有足够的光来填补所有的空白,”Mack 说。

探测宇宙最遥远、最古老的部分通常需要 多年的研究和强大的望远镜,但夜空一直以来都将一个基本问题的答案摆在我们眼前。你所要做的就是去看看星星之间的空间。

 

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Charlie 是一名记者,报道地球内外物理科学领域的发展。除了《流行科学》,他的作品还发表在《Quanta Magazine》、《Scientific American》、《The Christian Science Monitor》等刊物上。此前,他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语,并在布朗大学学习物理。您可以在这里查看他的网站。


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