از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

 

در این انیمیشن که آسمانی بی نهایت و همگن را به تصویر می کشد، ستارگان دوردست تری در هر فریم به صورت متوالی آشکار می شوند. با پیشرفت انیمیشن، ستاره های دورتر شکاف بین ستاره های نزدیکتر در میدان دید را پر می کنند. در نهایت، کل تصویر به اندازه یک ستاره روشن می شود.

همانطور که ستارگان دورتر در این انیمیشن نمایان می شود که یک جهان بی نهایت، همگن و ایستا را به تصویر می کشد، آنها شکاف بین ستاره های نزدیکتر را پر می کنند. پارادوکس اولبرز استدلال می کند که از آنجایی که آسمان شب تاریک است، حداقل یکی از این سه فرض در مورد ماهیت جهان باید نادرست باشد.

در اخترفیزیک و کیهان‌شناسی فیزیکی ، پارادوکس اولبرز ، که به افتخار ستاره‌شناس آلمانی هاینریش ویلهلم اولبرز (1758-1840)، همچنین به عنوان « پارادوکس آسمان شب تاریک » شناخته می‌شود، این استدلال است که تاریکی آسمان شب با این فرض در تضاد است. جهان ایستا بی نهایت و ابدی . در مورد فرضی که جهان ساکن است، در مقیاس بزرگ همگن است، و با تعداد بی نهایت ستاره ، هر خط دیدی از زمین پر شده است.باید به سطح یک ستاره ختم شود و از این رو آسمان شب باید کاملاً روشن و بسیار روشن باشد. این با تاریکی مشاهده شده و عدم یکنواختی شب در تضاد است. [1]

تاریکی آسمان شب یکی از شواهد یک جهان پویا است، مانند مدل بیگ بنگ . این مدل عدم یکنواختی روشنایی مشاهده شده را با فراخوانی انبساط فضازمان توضیح می‌دهد ، که نور ناشی از انفجار بزرگ را از طریق فرآیندی به نام انتقال به سرخ به سطوح مایکروویو طولانی می‌کند . این پس‌زمینه تشعشع مایکروویو دارای طول موج‌های بسیار طولانی‌تر از طول موج‌های نور مرئی است و بنابراین با چشم غیرمسلح تیره به نظر می‌رسد. [ نیاز به نقل از ] توضیحات دیگری برای پارادوکس ارائه شده است، اما هیچ کدام در کیهان‌شناسی پذیرش گسترده‌ای ندارند.

 

فهرست

تاریخچه [ ویرایش ]

اولین کسی که به مشکل تعداد بی نهایت ستاره و گرمای حاصله در کیهان پرداخت، کوسماس ایندیکوپلئوستس ، راهبی یونانی اهل اسکندریه بود که در توپوگرافی کریستیانا خود می گوید : "آسمان کریستالی گرمای خورشید را حفظ می کند. ماه و بی نهایت ستاره، وگرنه پر از آتش می شد و می توانست ذوب شود یا آتش بگیرد." [2]

تاریکی در شب ادوارد رابرت هریسون (1987) شرحی از پارادوکس آسمان تاریک شب را ارائه می دهد که به عنوان یک مشکل در تاریخ علم دیده می شود. به گفته هریسون، اولین کسی که چیزی شبیه به پارادوکس را تصور کرد، توماس دیگز بود، که همچنین اولین کسی بود که منظومه کوپرنیک را به زبان انگلیسی تشریح کرد و همچنین یک جهان نامتناهی با ستاره های بی نهایت را فرض کرد. [3] کپلر همچنین در سال 1610 این مشکل را مطرح کرد و این پارادوکس شکل بالغ خود را در آثار قرن نوزدهم هالی و چزو به خود گرفت. [4] این پارادوکس معمولاً به ستاره شناس آماتور آلمانی نسبت داده می شود هاینریش ویلهلم اولبرز ، که آن را در سال 1823 توصیف کرد، اما هریسون به طور قانع‌کننده‌ای نشان می‌دهد که اولبرز از اولین کسی بود که این مشکل را مطرح کرد، و همچنین تفکر او در مورد آن ارزش خاصی نداشت. هریسون استدلال می کند که اولین کسی که راه حل رضایت بخشی را برای تناقض ارائه کرد، لرد کلوین بود ، در مقاله ای که در سال 1901 کمتر شناخته شده بود، [5] و مقاله ادگار آلن پو Eureka (1848) به طرز عجیبی برخی از جنبه های کیفی استدلال کلوین را پیش بینی کرد . 1]

اگر توالی ستارگان بی پایان بود، پس زمینه آسمان درخشندگی یکنواختی را به ما نشان می داد، مانند آنچه که کهکشان نشان می دهد - زیرا مطلقاً هیچ نقطه ای در تمام آن پس زمینه وجود نداشت که ستاره ای در آن وجود نداشته باشد. بنابراین، تنها حالتی که در آن، تحت چنین وضعیتی، می‌توانیم حفره‌هایی را که تلسکوپ‌های ما در جهات بی‌شمار پیدا می‌کنند، درک کنیم، این است که فاصله پس‌زمینه نامرئی را آن‌قدر زیاد فرض کنیم که هیچ پرتویی از آن هنوز نتوانسته باشد. اصلا به ما برسه [6]

پارادوکس [ ویرایش ]

تناقض این است که یک جهان ایستا و بی‌نهایت قدیمی با تعداد نامتناهی ستاره پراکنده در فضای بی‌نهایت بزرگ، به جای تاریکی، روشن است. [1]

نمایی از یک بخش مربع از چهار پوسته متحدالمرکز

برای نشان دادن این موضوع، جهان را به مجموعه ای از پوسته های متحدالمرکز به ضخامت 1 سال نوری تقسیم می کنیم. تعداد مشخصی از ستاره ها در فاصله 1,000,000,000 تا 1,000,000,001 سال نوری در پوسته قرار دارند. اگر جهان در مقیاس بزرگ همگن باشد، در این صورت در پوسته دوم که بین 2,000,000,000 تا 2,000,000,001 سال نوری از ما فاصله دارد، چهار برابر ستاره وجود خواهد داشت. با این حال، پوسته دوم دو برابر دورتر است، بنابراین هر ستاره در آن یک چهارم به روشنایی ستاره های پوسته اول ظاهر می شود. بنابراین کل نور دریافتی از پوسته دوم با کل نور دریافتی از پوسته اول یکسان است.

بنابراین هر پوسته با ضخامت معین، صرف نظر از اینکه چقدر دور باشد، همان مقدار خالص نور را تولید می کند. یعنی نور هر پوسته به کل مقدار اضافه می کند. بنابراین هر چه پوسته بیشتر باشد، نور بیشتری دارد. و با پوسته های بی نهایت، یک آسمان شب روشن وجود خواهد داشت.

در حالی که ابرهای تیره می توانند مانع نور شوند، این ابرها تا زمانی که به اندازه ستارگان داغ شوند، گرم می شوند و سپس همان مقدار نور را ساطع می کنند.

کپلر این را به عنوان استدلالی برای یک جهان قابل مشاهده محدود یا حداقل برای تعداد محدودی از ستاره ها می دانست. در نظریه نسبیت عام ، این پارادوکس همچنان ممکن است در یک جهان محدود وجود داشته باشد: [7] اگرچه آسمان بی نهایت روشن نخواهد بود، اما هر نقطه در آسمان همچنان مانند سطح یک ستاره خواهد بود.

توضیح [ ویرایش ]

همچنین ببینید: Redshift ، مدل Lambda-CDM ، و گسترش متریک فضا

شاعر ادگار آلن پو پیشنهاد کرد که اندازه محدود جهان قابل مشاهده پارادوکس ظاهری را حل می کند. [8] به طور خاص، از آنجا که جهان به طور متناهی قدیمی است و سرعت نور محدود است، فقط تعداد محدودی از ستاره ها را می توان از زمین مشاهده کرد (اگرچه کل جهان می تواند در فضا بی نهایت باشد). [9] چگالی ستارگان در این حجم محدود به اندازه کافی کم است که بعید است هر خط دیدی از زمین به یک ستاره برسد.

با این حال، به نظر می‌رسد نظریه انفجار بزرگ مشکل جدیدی را مطرح می‌کند: این نظریه بیان می‌کند که آسمان در گذشته بسیار درخشان‌تر بوده است، به‌ویژه در پایان دوران نوترکیبی ، زمانی که برای اولین بار شفاف شد. همه نقاط آسمان محلی در آن دوره از نظر روشنایی با سطح خورشید قابل مقایسه بودند، به دلیل دمای بالای جهان در آن دوران . و بیشتر پرتوهای نور نه از یک ستاره بلکه از یادگار انفجار بزرگ سرچشمه می گیرند.

این مشکل با این واقعیت حل می شود که نظریه بیگ بنگ همچنین شامل انبساط فضا است که می تواند باعث کاهش انرژی نور ساطع شده از طریق انتقال به سرخ شود. به طور مشخص تر، تابش بسیار پرانرژی انفجار بزرگ در نتیجه انبساط کیهانی به طول موج های مایکروویو (1100 برابر طول موج اولیه خود) منتقل شده است و بنابراین تشعشع پس زمینه مایکروویو کیهانی را تشکیل می دهد . این موضوع چگالی نور نسبتاً کم و سطوح انرژی موجود در بیشتر آسمان امروزی ما را با وجود ماهیت روشن فرضی انفجار بزرگ توضیح می دهد. جابجایی به سرخ همچنین بر نور ستارگان و اختروش های دور تأثیر می گذارد ، اما این کاهش جزئی است، زیرادورترین کهکشان‌ها و اختروش‌ها دارای جابه‌جایی به سرخ تنها در حدود 5 تا 8.6 هستند.

سایر عوامل [ ویرایش ]

حالت پایدار [ ویرایش ]

انتقال به سرخ فرض شده در مدل بیگ بنگ به تنهایی تاریکی آسمان شب را توضیح می دهد حتی اگر جهان بی نهایت قدیمی باشد. در تئوری حالت پایدار ، جهان از نظر زمان و مکان بی نهایت قدیمی و یکنواخت است. در این مدل بیگ بنگ وجود ندارد، اما ستارگان و اختروش هایی در فواصل بسیار زیاد وجود دارند. انبساط جهان باعث می شود نور این ستارگان و اختروش های دوردست به سرخ منتقل شود، به طوری که کل شار نور از آسمان محدود می ماند. بنابراین چگالی تابش مشاهده شده (درخشندگی آسمان نور پس زمینه برون کهکشانی) می تواند مستقل از محدود بودن جهان باشد. از نظر ریاضی، چگالی انرژی الکترومغناطیسی کل (چگالی انرژی تابشی) در تعادل ترمودینامیکیاز قانون پلانک است

 

 

{\displaystyle {U \over V}={\frac {8\pi ^{5}(kT)^{4}}{15(hc)^{3}}}،}

 

به عنوان مثال برای دمای 2.7 K 40 fJ/m 3  ... 4.5×10 -31  kg/m 3 و برای دمای مرئی 6000 K، 1 J/m 3  ... 1.1×10 -17  kg/m 3 است. اما مجموع تشعشعات ساطع شده از یک ستاره (یا دیگر جرم های کیهانی) حداکثر برابر با کل انرژی اتصال هسته ای ایزوتوپ های ستاره است. برای چگالی جهان قابل مشاهده حدود 4.6× 10-28  کیلوگرم بر متر مکعب و با توجه به فراوانی شناخته شده عناصر شیمیایی ، حداکثر چگالی انرژی تابش 9.2× 10-31 کیلوگرم بر متر مکعب است .، یعنی دمای 3.2 K (مطابق با مقدار مشاهده شده برای دمای تابش نوری توسط آرتور ادینگتون [10] [11] ). این نزدیک به چگالی انرژی حاصل از پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) و پس‌زمینه نوترینوی کیهانی است . فرضیه بیگ بنگ پیش بینی می کند که CBR باید چگالی انرژی یکسانی با چگالی انرژی اتصال هلیوم اولیه داشته باشد، که بسیار بیشتر از چگالی انرژی اتصال عناصر غیر اولیه است. بنابراین تقریباً همان نتیجه را می دهد. با این حال، مدل حالت پایدار توزیع زاویه ای دمای پس زمینه مایکروویو را به دقت پیش بینی نمی کند (همانطور که الگوی استاندارد ΛCDM انجام می دهد). [12]با این وجود، نظریه‌های گرانشی اصلاح‌شده (بدون انبساط متریک جهان) را نمی‌توان تا سال 2017 توسط مشاهدات CMB و BAO رد کرد. [13] [14]

سن محدود ستارگان [ ویرایش ]

ستارگان دارای سن محدود و قدرت محدودی هستند، بنابراین هر ستاره تأثیر محدودی بر چگالی میدان نوری آسمان دارد. ادگار آلن پو پیشنهاد کرد که این ایده می تواند راه حلی برای پارادوکس اولبرز ارائه دهد. یک نظریه مرتبط نیز توسط ژان فیلیپ دو شزو ارائه شد. با این حال، ستارگان به طور مداوم در حال تولد و همچنین مرگ هستند. تا زمانی که چگالی ستارگان در سراسر کیهان ثابت بماند، صرف نظر از اینکه خود کیهان دارای سنی متناهی یا نامتناهی است، بی‌نهایت ستاره‌های دیگر در همین جهت زاویه‌ای وجود خواهند داشت، با تأثیر کلی بی‌نهایت. بنابراین سن محدود ستارگان این تناقض را توضیح نمی دهد. [15]

روشنایی [ ویرایش ]

فرض کنید که جهان در حال انبساط نبود و همیشه چگالی ستاره ای یکسانی داشت. آنگاه دمای کیهان دائماً افزایش می‌یابد زیرا ستارگان تشعشعات بیشتری را منتشر می‌کنند. در نهایت به 3000 کلوین می رسد (مطابق با یک انرژی فوتون معمولی 0.3 eV و بنابراین فرکانس 7.5×10 13 هرتز )، و فوتون ها شروع به جذب پلاسمای هیدروژنی می کنند که بیشتر کیهان را پر می کند و فضای بیرونی را ایجاد می کند. مات. این حداکثر چگالی تابش مربوط به حدود است1.2 × 10 17 eV/m 3 =2.1 × 10-19 کیلوگرم  بر متر مکعب ، که بسیار بیشتر از مقدار مشاهده شده4.7 × 10-31  کیلوگرم بر متر مکعب . [4] بنابراین آسمان حدود پانصد میلیارد بار تاریک‌تر از آن چیزی است که اگر جهان نه در حال انبساط بود و نه آنقدر جوان است که هنوز به تعادل رسیده باشد. با این حال، مشاهدات اخیر افزایش کران پایینی تعداد کهکشان‌ها نشان می‌دهد که جذب UV توسط هیدروژن و انتشار مجدد در طول‌موج‌های نزدیک به IR (غیر قابل مشاهده) نیز نقش دارد. [16]

توزیع ستاره فراکتال [ ویرایش ]

تفکیک متفاوتی که متکی به نظریه بیگ بنگ نیست، ابتدا توسط کارل چارلیر در سال 1908 پیشنهاد شد و بعداً توسط بنوا ماندلبرو در سال 1974 دوباره کشف شد. مشابه گرد و غبار کانتور ) - چگالی متوسط ​​هر منطقه با افزایش منطقه در نظر گرفته شده کاهش می یابد - برای توضیح پارادوکس اولبرز نیازی به تکیه بر نظریه بیگ بنگ نیست. این مدل بیگ بنگ را رد نمی کند، اما حتی اگر بیگ بنگ رخ نداده باشد، آسمانی تاریک را امکان پذیر می کند.

از نظر ریاضی، نور دریافتی از ستارگان به عنوان تابعی از فاصله ستاره در کیهان فراکتالی فرضی است.

 

 

{\displaystyle {\text{light}}=\int _{r_{0}}^{\infty }L(r)N(r)\,dr,}

 

جایی که:

  • r 0 = فاصله نزدیکترین ستاره، r 0 > 0.
  • r = فاصله اندازه گیری متغیر از زمین.
  • L ( r ) = متوسط ​​درخشندگی هر ستاره در فاصله r .
  • N ( r ) = تعداد ستارگان در فاصله r .

تابع درخشندگی از یک فاصله معین L ( r ) N ( r ) تعیین می کند که نور دریافتی متناهی است یا نامتناهی. برای هر درخشندگی از یک فاصله معین L ( r ) N ( r ) متناسب با r a ،{\ متن{نور}}برای  ≥ -1 نامتناهی است اما برای <  -1 متناهی است . بنابراین اگر L ( r ) متناسب با r -2 باشد، برای{\ متن{نور}}برای متناهی، N ( r ) باید با rb متناسب باشد ، جایی که b  < 1. برای b =  1، تعداد ستارگان در یک شعاع معین با آن شعاع متناسب است. هنگامی که در شعاع ادغام می شود، این نشان می دهد که برای b  = 1، تعداد کل ستاره ها با r 2 متناسب است . این با بعد فراکتالی 2 مطابقت دارد . بنابراین بعد فراکتالی جهان باید کمتر از 2 باشد تا این توضیح کار کند.

این توضیح به طور گسترده در بین کیهان شناسان پذیرفته نشده است ، زیرا شواهد نشان می دهد که بعد فراکتالی جهان حداقل 2 است . فرض می کند که ماده در مقیاس میلیاردها سال نوری به صورت همسانگرد توزیع شده است . برعکس، کیهان‌شناسی فراکتال به توزیع ماده ناهمسانگرد در بزرگترین مقیاس نیاز دارد.

همچنین ببینید [ ویرایش ]

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Olbers%27_paradox