夜空為什么是黑色的？| 天問專欄
?繁星點點的夜空羅訥河（Starry Night Sky Rhone River）by 梵高。
導讀：
“如果繁星每隔千年才出現(xiàn)一晚，人類將會如何景仰與崇拜，并世代保留上帝之城的回憶。”
——愛默生
撰文 | 李 然（國家天文臺）
責編 | 呂浩然
天問專欄
· 他們腳踏幾千米高原，只為多仰望星空一眼（附一至十期文章）
· 有人要挑戰(zhàn)暗物質(zhì)理論，并邁開了“萬里長征”的第一步
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為什么夜空是黑色的？《天問專欄》將這個問題交給我時，阿西莫夫（美國著名科幻作家）的科幻小說《日暮》在我的腦海中一閃而過。在《日暮》虛擬的世界中，星球拉蓋什身處一個具有6個太陽的天體系統(tǒng)中。在大多數(shù)時候，蓋拉什的天空至少都有兩個太陽照耀著大地，黑夜在這個星球上只是傳說。
然而，每過2050年，六個太陽會形成一次特殊的構(gòu)型：五個太陽位于星球的一側(cè)，而在星球的另一側(cè)，拉蓋什的月亮將會運行到二號太陽和星球之間，在大地上形成一次漫長的日食。在小說的最后，太陽被黑暗吞噬，星光顯現(xiàn)，夜幕降臨，整個星球陷入了恐懼和混亂，唯有天文學家們看著從未預(yù)料到的廣闊宇宙淚流滿面。
?圖1：《日暮》（Nightfall）由美國著名科幻作家阿西莫夫所著。
相比于拉蓋什人，地球人在對宇宙的探索方面要幸運得多。當太陽落下地平線，暗夜降臨，星球上的每個人都可以平等地凝視夜空，觀察宇宙中其它的世界。早在原始社會，在篝火的照耀下，人類就已經(jīng)慢慢地學會了與黑暗和平共處，看著星光給孩子們編織宇宙的故事。不同的文明都經(jīng)歷過這種用想象力編織宇宙物語的過程。
在開始的時候，人類的故事傾向于認為世間萬物都由更高級的存在——神明掌控的。天空和大地、高山和海洋、光明和黑暗、風雨和雷電，都由不同的神明掌控。在大約2500年前，在東愛琴海的希臘殖民地，突然出現(xiàn)了好幾位著名的學者，他們開始意識到，世間的萬物也許并非都是神明的提線木偶；也許萬物并非都是神明創(chuàng)造，而是按照某種自然規(guī)律由同樣的微粒組成；也許疾病并非是神明的懲罰，而有規(guī)律可循，無需祭祀也可以人為地治愈；而太陽和月亮的交替、星星的閃耀也都是自然的現(xiàn)象。
然而，摸索出宇宙運轉(zhuǎn)的秘密并不容易。直到十六世紀末期，學者們才漸漸地達成共識。夜空中的星星應(yīng)該都是和太陽差不多的天體，只不過由于它們距離太遠了，才顯得如此的暗淡?；莞?span style="color: rgb(136, 136, 136);">（Christiaan Huyg(h)ens，1629 - 1695）也許是第一個用科學方法估計恒星距離的人。他在一個紙板上鉆了一系列大小不同的孔，然后將這個紙板安裝在望遠鏡的鏡面上，再用這個望遠鏡來觀察太陽。
惠更斯觀察了（目視）不同大小的圓孔的亮度，發(fā)現(xiàn)如果小孔的大小是太陽的三萬分之一的時候，透過小孔的亮度就和夜晚最亮的天狼星一樣明亮。這意味著，太陽的目視亮度是天狼星的3萬×3萬=9億倍。當天體遠離地球，它的目視亮度隨著距離的平方衰減。如果一個天體的距離是太陽距離的10倍，它的目視亮度只有太陽的1/100。惠更斯據(jù)此推算，如果天狼星和太陽同樣明亮，那么天狼星應(yīng)該距離地球3萬倍的日地距離（實際上天狼星的絕對亮度遠遠高于太陽，所以實際距離更遠）。
全天（整個天空）可以用裸眼觀察到的恒星大約有6000顆，而在十六世紀末出現(xiàn)的望遠鏡則讓人類看到了更多夜幕中的暗淡恒星，人類也開始意識到星辰大海的浩瀚。隨著對恒星世界的認識，太陽在宇宙中的地位開始退縮。學者們意識到地球不是世界的中心，太陽也不是。太陽的王國只是宇宙浩瀚版圖中的普通一員。牛頓在不朽的著作——《自然哲學的數(shù)學原理》一書中，清晰地為宇宙下了一個定義：宇宙應(yīng)該是向各個方向伸展的，均勻的空間。而牛頓認為宇宙的尺度應(yīng)該是無限的。
站在宇宙的角度上思考問題，我們會發(fā)現(xiàn)“夜空為什么是黑色的？”其實并不是一個容易回答的問題。如果恒星在宇宙空間中均勻的分布，那么無限延伸的宇宙空間中就包含著無限多的恒星。雖然任意一顆恒星發(fā)出的光都只有非常小的一部分能夠被地球接收到，但如果把全宇宙恒星的光芒都加在一起又如何呢？我們可以用簡單的積分來計算地球接收到的來自所有恒星的光能總量，但這個積分的結(jié)果是發(fā)散的（即無限大）。也就是說，無限的恒星會理應(yīng)給地球上帶來無限的光輝，地球原本不應(yīng)該存在黑夜。甚至宇宙中的任何一個星球上都不應(yīng)該有黑夜的存在。
這個詰問在歷史上曾經(jīng)被多位天文學家提出，其中包括偉大的開普勒（Johannes Kepler，1571 - 1630）。今天，這個問題被廣泛的稱作奧伯斯佯謬（Olbers' paradox），得名于一位德國天文學家Heinrich Wilhelm Olbers。奧伯斯佯謬本質(zhì)上反映了牛頓的力學系統(tǒng)及靜態(tài)宇宙觀無法自洽的處理無限宇宙的問題。
?圖2：德國天文學家Heinrich Wilhelm Olbers，圖片來源：Wikipedia。
不過直到二十世紀，這個問題并沒有十分困擾天文學家。因為從觀測上看，彼時尚沒有充分的證據(jù)表明宇宙學原理是正確的。夜空中所有的發(fā)光天體似乎都屬于同一個系統(tǒng)——銀河系。在銀河系之外也許仍然有無限的空間，但是否還有其它的恒星集合尚不明確。而銀河系有限的恒星，當然并不足以照亮夜空。
1923年，哈勃發(fā)現(xiàn)了河外星系。人類第一次確認，在夜幕中那些一個個旋渦狀的發(fā)光星云，其實是和銀河系一樣巨大的恒星系統(tǒng)。隨著天文學家尋找到河外星系數(shù)目的增加，無限宇宙的問題又一次嚴肅地擺在了研究者面前。不過這一次，理論家的工具已經(jīng)從牛頓的萬有引力理論升級到愛因斯坦的廣義相對論。在相對論的體系下，奧伯斯佯謬有兩種不同的解決方案。
愛因斯坦自己構(gòu)造了第一種方案：他假設(shè)廣義相對論方程中存在一個宇宙學常數(shù)，構(gòu)造出了一個穩(wěn)態(tài)且有限的宇宙模型。在這樣的宇宙中，恒星和星系的數(shù)目都是有限的，不會“威脅”到地球的夜空。
但好景不長，哈勃在1929年發(fā)現(xiàn)了星系的紅移-距離關(guān)系：距離我們越遠的星系會以越快的速度遠離我們。這個現(xiàn)象，很快被解讀為宇宙空間的膨脹。這給了愛因斯坦的靜態(tài)宇宙論沉重的一擊，但膨脹的宇宙同樣是廣義相對論理論所允許的產(chǎn)物。而膨脹的宇宙本身，為奧伯斯佯謬帶了解決的方案。
宇宙空間膨脹的事實，可以推導出一個不平凡的結(jié)論：宇宙必然有一個開端。因為宇宙昨日必定比今天密度要高，而前天密度則會更高一些。如果我們逆著時間的流逝回溯過去，我們可以觀察到宇宙變得越來越致密，直到今天我們在宇宙中看到的一切結(jié)構(gòu)都無法存在。
當我們回溯到宇宙的極早期，宇宙的密度會高過原子，甚至是原子核。另一方面，光子在膨脹的宇宙中旅行，會損失能量，發(fā)生紅移（波長增大）。宇宙早期一定要比今天更加的明亮。這不僅僅是因為隨著宇宙尺度的壓縮，光子的數(shù)密度增加，也歸功于每個光子的能量都變得比今天更高。而如果我們進一步向前推演宇宙的歷史，我們會發(fā)現(xiàn)終有一個時刻，宇宙中光子的能量會變得非常高，以至于今天宇宙中存在的一切實物粒子都會被光子擊碎。我們甚至沒有一個完整的物理理論可以描述宇宙這個高溫狀態(tài)下的行為。我們今天一般將這個時刻定義為宇宙的開端，那時距今138億年。
宇宙的年齡有限，意味著我們無法觀測到無限的宇宙。換句話說，即使宇宙真的無邊無際，但因為遙遠宇宙中的星光還來不及傳遞到地球上，地球今天能夠接受到的星光總是來自于有限的恒星。我們可以容易地估算出這些星光的總亮度，確實遠遠不足以照亮我們的夜空。膨脹的宇宙也意味著光子在不斷地損失能量，這會進一步降低地球上接收到的光能。
不過，正如我們在前面討論的，在宇宙早期有一段時間，宇宙中充滿了高能量的光子，整個宇宙極為明亮。在那個時刻，宇宙中確實不存在夜晚這個概念。今天，隨著宇宙的膨脹降溫，宇宙誕生之初的高能量光子已經(jīng)變成了能量很低的微波輻射。如果人類的眼睛可以接收微波信號，那么即使在黑夜，也能夠看到天空均勻的發(fā)光，雖然這光芒已經(jīng)非常微弱。
?圖3.奧伯斯佯謬示意圖。如果宇宙中的恒星是均勻分布的，在任何一個視角，隨著觀測距離的增加，恒星在一個空間薄層里的數(shù)目隨著距離平方增加。而恒星的視亮度則隨著距離的平方衰減。如果將無限宇宙中所有恒星的貢獻加起來，那么觀測者接收到的光能回趨于無窮大。圖片來源：文獻[1]。
如果人類的視力可以變得任意好, 那么夜空看起來會是什么樣子呢？根據(jù)諾丁漢大學的Conselice等人[2]估計 ，在宇宙中大約有超過1萬億的星系。差不多向天上任何一個方向看過去，都會有80%的可能性看到一個超過一百萬太陽質(zhì)量的星系。不過要想看全這些星系可不容易，遙遠的距離使得它們大多數(shù)都太過暗淡。
?圖4. 哈勃超級深場照相，圖片來源：文獻[3]。
2014年，哈勃空間望遠鏡對著天上一塊看上去空無一物的區(qū)域曝光了一百萬秒，結(jié)果2億個星系從虛空中浮現(xiàn)出來，猶如璀璨的寶石箱（圖4）。這張照片只拍攝了月球視覺面積的大約百分之一的天空，但大概是人類有史以來最激動人心的照片之一。這樣美麗的夜空，當然不應(yīng)該用“黑色”來描述了。
2001年，約翰霍普金斯大學的一組科學家將星系巡天中200,000個星系的顏色疊加了起來。他們的結(jié)論是，宇宙的平均顏色大致接近白色，但微微泛黃，這個顏色被他們命名為宇宙拿鐵色（cosmic latte）[4]。
?圖5. 宇宙的平均顏色：宇宙拿鐵色，作者：Dhmmjoph, Karl Glazebrook & Ivan Baldry，圖片來源：文獻[5]。
太陽落山，黑夜降臨，群星閃耀。從遠古時代開始，人類日復一日地經(jīng)歷著同樣的循環(huán)，以至于所有人都已習以為常。但加以理性的思考，夜空顏色這一簡單的問題，實際上卻和宇宙的本性有著深刻的聯(lián)系。對我而言，這正是天文學研究最令人著迷的地方。
作者簡介
李然，畢業(yè)于北京大學天文系，獲理學學士學位（2006年）和博士學位（2011年）。其后在國家天文臺從事博士后研究，現(xiàn)在為國家天文臺星云計劃研究員。主要研究領(lǐng)域：引力透鏡，星系形成以及宇宙學。其科普著作《漫步到宇宙盡頭》入選科技部2017年度優(yōu)秀科普圖書。
參考文獻：
[1] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Olbers%27_Paradox.svg
[2] The Evolution of Galaxy Number Density at z < 8 and its Implications, Christopher J. Conselice, Aaron Wilkinson, Kenneth Duncan, Alice Mortlock, ApJ, 2016, 830,83
[3] http://hubblesite.org/image/3380/news_release/2014-27，credit：NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI)
[4] 宇宙的光譜：http://www.astro.ljmu.ac.uk/~ikb/Cosmic-Spectrum.html
[5] https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cosmic_Latte.png
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