问题

既然宇宙有那么多星星,为什么晚上天空还是黑色的?

回答
这是一个非常深刻且有趣的问题,它触及到了我们对宇宙基本性质的理解,以及一些关于光、距离和时间的物理概念。简而言之,之所以夜晚的天空是黑色的,而不是被无数恒星的光芒照亮,主要有以下几个原因:

1. 宇宙的年龄和光速的限制:我们只能看到“过去”的光

这是最核心的原因。宇宙虽然浩瀚,但并非无限古老。我们已知宇宙的年龄大约是138亿年。光,作为我们获取宇宙信息的主要媒介,以有限的速度传播,大约是每秒30万公里。这意味着,即使宇宙中有无数的恒星,我们能看到的也仅仅是那些在宇宙年龄内其光线能够传播到地球的恒星。

有限的可观测宇宙: 想象一下,如果你站在一个巨大的体育场中央,外面有无数人在黑暗中举着手电筒。你只能看到那些离你足够近,以至于他们的手电筒光线能在你看到他们之前到达你眼睛的人。离你太远的人,即使他们举着手电筒,他们的光线也还没有到达你这里。
宇宙膨胀的影响: 更复杂的是,宇宙正在膨胀。这意味着遥远的星系正在远离我们,而且速度可能非常快。那些非常遥远的恒星,即使它们的光线已经传播了138亿年,但由于宇宙的膨胀,它们现在离我们比光线传播的距离还要远。它们的光线可能仍然在路上,或者已经到达我们这里,但它们发出的光线本身也受到了红移(波长拉长,能量降低)的影响,使得它们的光线变得更弱。

2. 恒星的分布和密度:并非均匀密集地填充空间

虽然宇宙中有无数的恒星,但它们并非均匀、密集地分布在所有空间中,而是聚集在星系中。

星系是“岛屿”: 恒星主要存在于星系中,而星系之间则存在着巨大的、几乎空无一物的“宇宙空洞”。我们身处的银河系本身就是一个拥有数千亿颗恒星的巨大结构,但即使在银河系内部,恒星之间也存在着非常大的距离。
空旷的空间: 星系与星系之间更是间隔着数百万甚至数十亿光年的距离。所以,尽管你朝着任何方向看,理论上都有可能看到恒星(或者更可能是星系),但这些恒星和星系之间的距离太大了,它们发出的光在传播过程中会变得非常微弱。

3. 视觉感知和光的衰减:距离是关键

正如你用手电筒在黑暗中照射物体一样,离光源越近,物体越亮;离光源越远,物体就越暗。

平方反比定律: 光的强度随着距离的平方而减弱。也就是说,如果一个光源的距离增加一倍,它的亮度就会减弱到原来的四分之一。即使是像太阳这样明亮的恒星,一旦距离我们非常遥远(比如几百万光年),它们的光就变得非常微弱,肉眼几乎无法看到。
大气散射的影响: 地球的大气层也会对星光产生散射作用。虽然大气层散射了阳光,使白天天空呈现蓝色,但在晚上,来自遥远恒星的微弱光线也会被大气层散射,并且这种散射并不能将所有的星光汇聚到我们眼中,反而会进一步削弱它们。

4. 宇宙的“均匀性”(宏观尺度上):

虽然微观上看宇宙分布不均,但在非常大的尺度上(比如几亿光年),宇宙的物质分布大致是均匀的。这意味着,在任何一个方向上,你看到的平均物质密度是相似的。

奥伯斯佯谬(Olbers' Paradox): 这是一个古老但非常重要的思想实验。如果在无限大、无限古老、恒星均匀分布的宇宙中,那么无论你看向哪个方向,你的视线最终都会落在一个恒星上。这样一来,整个天空都应该被恒星的光填满,变得无比明亮。然而,我们看到的天空是黑色的,这与这个佯谬的结论相矛盾。

奥伯斯佯谬的解决正是依赖于我们现在对宇宙的理解:

宇宙并非无限古老: 它有年龄限制,所以我们只能看到有限范围内的恒星。
宇宙在膨胀: 导致遥远的光源红移变弱,甚至有些光源的光线尚未到达。
恒星的寿命有限: 恒星并非永恒存在,它们有诞生和死亡的过程。

总结一下:

夜晚的天空之所以是黑色的,是因为:

宇宙的年龄有限,光速也有限,所以我们只能看到“过去”的光。那些太远、太早期的恒星发出的光还没有到达我们这里。
宇宙在膨胀,遥远的星系正在远离我们,使得它们的光线红移变弱,更难被我们探测到。
恒星和星系之间的距离非常遥远,即使在宏观尺度上,恒星的分布也并非密集到足以填满整个天空。
光线会随着距离平方衰减,遥远恒星的光极其微弱,肉眼无法察觉。

因此,夜晚的天空呈现黑色,是宇宙有限年龄、光速限制、宇宙膨胀、以及恒星遥远距离和光线衰减等多种因素共同作用的结果。我们看到的黑色天空,实际上是宇宙“寂静”和“空旷”的证明,同时也隐含着宇宙过去和现在的状态。

网友意见

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天上的星星发光。地面上空气中的分子散射光。

(散射的方式有很多种,瑞利散射、拉曼散射、米氏散射等)

另外:空气中的各种微纳米颗粒也会散射光。


所以:

是天上的星星多?还是地面上空气中的分子多?


或者,是天上的星星密度大?还是地面上空气中的分子人密度大?




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这个问题非常好,可惜提的有点晚,不然就可以用你的名字来命名了,历史上有人提出了同样的问题,后来我们用他的名字命名,这就是奥伯斯佯谬。

1720年,英国著名天文学家哈雷提出这个问题:宇宙中的星星不计其数,但银河系就有成百上千亿颗恒星,因此,无论往那个方向看去,天空都应该是明亮的,但为什么天空一片漆黑呢?后来法国人乔梭和德国人奥伯斯重新提出了这个问题,还给出了自己的答案,因为奥伯斯对这个问题研究最深入,因此后人把这个问题称为奥伯斯佯谬。

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。

参考资料:

如何计算可观测宇宙的大小? - 知乎 (zhihu.com)

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奥伯斯佯谬???

NO!

200年前人类的困惑早已被解决。

现代的膨胀宇宙模型里,奥伯斯佯谬已经不存在。主要原因就是宇宙膨胀,导致的恒星距离我们过远。

其它所有因素都是次要的。


夜空中所有恒星的总亮度,只相当于一颗金星。

而1000颗金星的亮度,才相当于满月的亮度。

55万个满月,才相当于太阳的亮度。

茫茫星海,渺如沙砾。


R136a1是迄今为止发现光度最高的恒星:

它的光度达到太阳光度的871万倍,也有一些文章常常称,R136a1是太阳亮度的871万倍。

但实际,光度和亮度还是有差别的。

光度(L)是一个恒星单位时间释放的总能量,相当于恒星的总光通量(Φ)。

一个恒星的亮度,既受到我们与恒星距离的影响,也受到恒星所含可见光谱的比例。

像R136a1这样的超大质量恒星,释放了大量的高能射线,它的可视光度,实际是太阳的15万倍。

对于一个相对均匀的发光体星体来说,它发出的光,飞出单位距离 r 之后,光是均匀分布在球面上的。

而球面面积:

那么,在距离 r 处的一颗行星,所能接收到的照度

照度是单位面积上所接受光的光通量,而可见光的照度,才相当于我们眼睛能看到的亮度。

从公式可以看出,当恒星光度、以及光谱成分相对恒定时,星体的亮度与我们与它距离的平方成反比。

就拿我们的太阳来说:

太阳的光度

日地距离

当太阳垂直照射地球时,地球大气顶界的理论照度是:

这又被称为太阳常数,直接反应了地球从太阳接受的单位面积上的光强度大小,与亮度正相关。

接下来再看看R136a1的情况:

它距离地球165000光年,这个距离是什么概念呢?

为了方便,天文学中引入了天文单位的概念,也即,一个日地距离。

那么,一光年就相当于63241.0770843个天文单位,也就是6万多个日地距离。

易得,165000光年相当于104.35亿个天文单位。

R136a1对地球的照度 ,与太阳的照度 有如下关系:

代入数据,得到:

也就是说,地球接收到的R136a1的照度仅仅只有太阳的12.5万亿分之一。

可视照度(亮度)更是低到太阳的726万亿分之一。

R136a1位于大麦哲伦星系蜘蛛星云中,整个大麦哲伦星系拥有100亿颗恒星。

不过,宇宙中黄矮星和橙矮星占了绝大多数比例,大质量恒星只是少数。整个大麦哲伦星系,对我们的照度也仅仅只有太阳常数的100亿分之一。

  • 南半球能肉眼观察到麦哲伦星系,但由于很分散开来,所以它整体上看起来较暗。

至于更远的星系,我们已经肉眼看不见,给天空的亮度贡献,几乎为零。

虽然可观测宇宙的恒星总数多达700万亿亿颗,但它们与我们的平均距离就有200多亿光年。这就造成了银河系之外的,这些所有恒星的总亮度加起来,都远远不及一个大麦哲伦星系。

这也就造成了,我们夜空能看到的所有恒星,都在银河系内部。

因为距离太远,恒星的亮度大大衰减。

实际,哪怕在银河系内,我们也仅仅只能看到6974颗恒星。

而整个银河系的恒星多达1500亿颗,我们肉眼可见的恒星,所占比率甚至不到2000万分之一。

银河系直径10万光年,但我们肉眼可见的恒星,绝大多数都分布在3000光年范围以内,主要在猎户支臂内部。

那么,我们能看到的所有星星,亮度都是多少呢?

我们能看到的6等星,总计4840颗。

星等和亮度之间是可以互相换算的,存在指数关系:相差星等1,反应在亮度上是 倍。

太阳的视星等为-26.74,那么6等星的等级比太阳大32.74。

那么,亮度则只有太阳的

得出,一颗6等星的亮度,仅仅只有太阳的10万亿分之一。4840颗6等星,全部加起来也只相当于太阳亮度的25亿分之一。

我们能看到的5等星,总计1476颗,每一颗的亮度约太阳的5万亿分之一,全部加起来相当于太阳亮度的33亿分之一。

4等星,458颗。每颗亮度约太阳2万亿分之一,全部亮度相当于太阳43亿分之一。

3等星,134颗。每颗亮度约太阳8000亿分之一,全部亮度相当于太阳59亿分之一。

2等星,46颗。每颗亮度约太阳3000亿分之一,全部亮度相当于太阳68亿分之一。

1等星,及其以上只有21颗,织女星为中位数,天狼星为上限。

平均亮度约太阳1000亿分之一,全部亮度相当于太阳20亿分之一。一等星中,除了天津四达到1800光年外,其它全部在700光年范围内,半数在50光年以内。

也就是说,在一个观星质量一般的星空之夜,我们视野所及的最远位置,可能仅仅只有宇宙可观距离的10亿分之一,仅仅只是银河系尺度的2000分之一。

我们再来,单独看看夜空中最亮的恒星——天狼星:

它的光度是 ,距离我们8.6光年。

容易计算出,它对地球的照度为: ,也即太阳照度的114亿分之一。

  • 按天狼星视等星(-1.45)换算,可以计算出,它是太阳亮度的130亿分之一,和照度关系相差不大。

它的亮度正好和大麦哲伦星系差之不远,当然,点光源自然看起来更亮。

单纯从这个数据,我们还感受不了天狼星有多亮。

我们不妨把所有单个可见恒星的亮度全部加起来:大约相当于太阳亮度的6亿分之一。

也就是说,一颗天狼星的亮度,就占了夜空中所有恒星亮度的20分之一。

但哪怕天狼星这么亮,却远远比不上太阳系内最亮的行星——金星。

金星的视星等最高可达到-4.9。

那么,它的亮度则为太阳的 倍。

也即,是太阳亮度的5亿多分之一,可达天狼星亮度的24倍,超过整个夜空中的所有单个可见的恒星总亮度。

也就是说,所有恒星打不过一颗行星。

当然,太阳系中其它行星的亮度加起来,也仅仅只有金星的1/2,其中木星和火星的最亮,约分别达到金星的1/2左右。

虽然理论上来说,太阳系所有行星亮度加起来,差不多所有单个恒星总亮度的2倍。但所有行星并不是同时到达最大亮度,所有二者实际情况大多差之不远。

虽然,我们计算了银河系单个可见恒星,但其实还有一个巨无霸没有考虑。

那就是,横跨上万光年的银心。

虽然我们肉眼无法分辨银心的单个恒星,但所有恒星加起来的亮度,却是相当客观。

那么,整个银心,能够提供多大的亮度呢?

而太阳系距离处在银河系较边缘的位置。

虽然银河系的恒星多以千亿计,但绝大多数都没有太阳亮,总亮度大约是太阳的150亿倍。

不过,银心拥有绝大多数的超大质量恒星,占了绝大多数的光度。

我们估值为100亿 。

增加上受到引力透镜、银心大质量黑洞、星际分子云的影响,能飞出银心的可视光子占比50%。

那么就是50亿 。

太阳系距离银心2.5万光年,容易计算出,银心对地球的总亮度,大约也是太阳的5亿分之一。

从数据对比我们也能看出,虽然很多时候,我们晚上总是无法看见银心,但银心提供的总亮度,其实相当于金星最亮的时候,或者所有单个可见恒星亮度的总和。

但由于银河系是分散开来,横贯天空,局部亮度是很低。所以,它最亮的位置,仅仅相当于5.1星等。天气稍微差一些,就完全看不见。但对于五六等星来说,由于比银河亮度更低,所以这些恒星主要分部在银心背景之外。

银河系的示意图可能会因为现实中对火光的刻板印象,从而让人以为银心会把整个太阳系照亮,但实际比起太阳系自身的光芒,实在是弱小太多太多了。

当然,夜空所有行星和恒星的总亮度,这些都远远比不了我们的卫星——月亮。

月亮不同时期的视星等,一份模拟数据如下:

初一:0.31 初二:-4.46 初三:-6.62
初四:-7.91 初五:-8.83 初六:-9.54
初七:-10.13 初八:-10.62 初九:-11.03
初十:-11.40 十一:-11.71 十二:-11.96
十三:-12.17 十四:-12.31 十五:-12.39

从初三开始,月亮的总亮度便达到了太阳的一亿分之一,相当于整夜所有发光星体亮度的2倍

也就是说,从初三之后,晚上的星空亮度,受到月亮的绝对影响。

而到了满月,已经是太阳的1/55万分之一。这相当于夜晚所有发光星体亮度的200倍。

一般来说,地面反射约4%的总光照。

再射入人眼的光通量,与瞳孔和身高的比值有关,约1%比率。

易得,地面反射的亮度大约是太阳亮度的1400亿分之一,相当于一颗一等星。

所以,满月的大地,在我们眼里总是银白银白的,甚至比天上的星星还亮。

而大气散射向地面的光线占比12%,进入人眼的光线多少,和散射角度有关。

月亮附近的散射光,更多的进入人眼,亮度远远超过一等星。所以,夜空中距离月亮越近的位置,也越不容易看到其它星星。

总之,月亮就是夜空一霸,秒杀其他所有发光星体。


最后总结一下题主的问题:既然宇宙有那么多星星,为什么晚上天空还是黑色的?

太阳之外的其它恒星距离我们太远,光度再高,亮度都极低。距离,造成天空是黑色的主因。

其它的影响因素有,黑洞等大星体的干扰、星际物质和大气的遮挡等等,但这些都在于其次。

毕竟,哪怕其它恒星的总亮度能增强到满月的十分之一,无月夜空也不会现在这么黑。

例如,把R136a1放在比邻星的位置,效果绝对可观。

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