למה השמיים חשוכים בלילה?

במדע יש שאלות רבות שהתשובה עליהן נראית ברורה מאליה, אך למעשה אינה פשוטה כלל. דוגמה לאחת מאותן שאלות היא "מדוע השמיים בלילה חשוכים?". לכאורה התשובה היא שהשמש איננה, הכוכבים מאירים רק חלק קטן מהשמיים וביניהם יש חושך. אבל ביקום כפי שאנחנו מכירים אותו ההסבר אינו כה ברור.

הכוכבים שאנחנו רואים בשמי הלילה נמצאים בתוך הגלקסיה שלנו ורק הבהירים שבהם נראים לעין בלילה, אבל בחושך שבין הכוכבים - בכל כיוון שנבחר - ישנם כוכבים נוספים וגלקסיות רחוקות. אם היקום שלנו אינסופי בכל הכיוונים, הרי שכל קו ראייה יסתיים בפני השטח של כוכב כלשהו. גם אם הכוכבים או הגלקסיות בקו ראייה מסוים רחוקים מאוד, בכל זאת יש כל כך הרבה מהם עד שהאור המשותף שלהם צריך להאיר את השמיים כמו השמש שלנו. ענני הגז והאבק המפוזרים בין הגלקסיות אמנם יכולים חסום את האור, אבל הם עצמם חשופים לאור הזה שאמור לחמם אותם עד לטמפרטורה שבה הם פולטים חזרה אותה כמות של אור כמו הכוכבים עצמם.

תומס דיגס (Digges) היה מהראשונים שתהו בעניין הזה, כבר במאה ה-16. יוהנס קפלר ואדמונד האלי התייחסו אל הפרדוקס של שמי הלילה בעבודותיהם – אם שמי הלילה חשוכים הרי שגודלו של היקום סופי, וזה מנוגד להנחה הבסיסית שהייתה רווחת אז, שהיקום הוא אינסופי בגודלו. לבסוף הפרדוקס קיבל את שמו של היינריך אולברס (Olbers), אסטרונום גרמני, בתחילת המאה ה-19.

אפשרות אחרת, שהעלו הסופר אדגר אלן פו ומאוחר יותר המדען לורד קלווין, היא שהיקום קיים רק זמן סופי והאור מאותם הכוכבים עדיין לא הגיע אלינו מהגלקסיות המרוחקות מאתנו מיליארדי שנות אור. הסבר זה מניח שהיקום הוא אינסופי בגודלו (ובכמות הכוכבים והגלקסיות שבו), אבל גם שהיקום משתנה בזמן ולא היה קיים תמיד. העובדה שליקום הייתה "התחלה" בצורת המפץ הגדול מסבירה איך רוב הגלקסיות ביקום טרם הצליחו להאיר את השמיים שלנו.

מחסומים ושינויים

אלא שזה רק חלק מהסיפור: גם האור שכבר הספיק להגיע אלינו מהגלקסיות הרחוקות הוא ברובו בלתי נראה. הסיבה היא שהיקום לא רק קיים זמן סופי, הוא גם מתרחב בזמן הזה. אור נראה שנפלט מכוכבים בגלקסיות רחוקות נמתח ומתרחב יחד עם המרחב של היקום (שגדל כל הזמן), ועובר הסחה (היסט) לאורכי גל ארוכים יותר כמו תת-אדום (אינפרה אדום). עד שהאור מגיע אל כדור הארץ רובו כבר לא נמצא בתחום האור הנראה, מה שתורם לחשיכה של השמיים.

ההסחה לאדום חשובה במיוחד כשחושבים על האור שיצא לדרכו 300 אלף שנים אחרי המפץ הגדול, כשהיקום היה מלא בפלזמה חמה שרק החלה להתקרר ולהיות שקופה. האור הזה נפלט באורכי גל בתדר העל-סגול (אולטרה סגול) וגם בתדרי האור הנראה, ואילו הוא היה מגיע אלינו כמו שהיה אז השמיים היו בהירים יותר מהשמש שלנו. העובדה שקרינה זו, המכונה קרינת רקע, מגיעה מתקופה כל כך קדומה ביקום מצילה אותנו - היא עברה הסחה לאדום שהגדילה את אורכי הגל פי אלף, והיום קרינה זו נמצאת בתחום המיקרוגל (cosmic microwave background). אפשר לראות את הקרינה הזו על כל מסך טלוויזיה ישנה המכוונת לערוץ שבו אין שידורים – מקורו של הרעש הלבן בעיקר בקרינת הרקע הקוסמית.

 במחקר שנערך לאחרונה דיווחו חוקרים על סקר שבו בחנו את בהירותן של גלקסיות רחוקות ועתיקות מאוד. הם ניסו להבין מה הייתה הבהירות של גלקסיות בעבר ואיזה אחוז מהגלקסיות ביקום אי אפשר לראות בטלסקופים כיום. לפי הערכתם, ישנן פי 10 עד פי 20 יותר גלקסיות ביקום הנראה ממה שחשבנו עד כה. אמנם הן עמומות אבל הן רבות מאוד, מה שרק מגדיל את הפרדוקס של אולברס.

לדברי החוקרים, האור מאותן גלקסיות אינו מגיע אלינו בגלל שני גורמים: האחד, הסחה לאדום שמעבירה את כל האור הנראה שנפלט מהגלקסיות לתדר התת-אדום. הגורם האחר הוא בליעה על ידי גז ואבק שנמצאים בקרבת הגלקסיה שממנה האור נפלט. הגורם השני נראה בעייתי מפני שהגז עצמו פולט חזרה את אותה כמות אנרגיה שהוא בולע, אלא שבמקרה הזה הגז מסוגל לבלוע אורכי גל של אור בתדר העל-סגול ולפלוט אותם חזרה בתדר התת-אדום. לכן גם אורכי הגל הקצרים יותר שהיו יכולים להגיע לכדור הארץ כאור נראה (אחרי הסחה לאדום) ולהאיר את השמיים, נעים עתה באורכי גל ארוכים יותר שיצרו האבק והגז.

מסתמן שהפתרון לפרדוקס של אולברס – השאלה מדוע שמי הלילה שלנו אפלים כל כך למרות קיומם של גלקסיות וכוכבים רבים ביקום - מחייב אותנו להשתמש בכל שלושת הרעיונות שהוצעו בעבר: גילו של היקום הוא סופי, האור הנראה שנפלט מהגלקסיות המרוחקות מאתנו עבר הסחה לאדום ועתה הוא אור בתדר התת-אדום, והאור הזה נבלע על ידי גז ואבק והתוצאה הייתה שינוי של אורך הגל שבו האור נע.