Es gibt so viele Sterne im Universum, warum ist der Himmel nachts dunkel?

Wenn Sie in einer klaren, wolkenlosen Nacht aufs Land oder in die Berge kommen, weit weg von den Lichtern der Stadt, werden Sie beim Blick in den Nachthimmel einen Himmel voller Sterne und eine strahlende Milchstraße sehen. Die Sterne blinken unermüdlich und strahlen ein sanftes und poetisches Licht aus.

Unter sehr guten Beobachtungsbedingungen kann das menschliche Auge etwa 6.000 Sterne erkennen. Da wir jedoch auf der Nordhalbkugel leben, können wir die Sterne in der südlichen Hälfte des Himmels unter unseren Füßen nicht sehen und daher nur mehr als 3.000 Sterne. In Wirklichkeit gibt es am Himmel jedoch ein Vielfaches von 6.000 Sternen, diese sind jedoch sehr dunkel und können nur mit Hilfe eines astronomischen Teleskops gesehen werden.

Haben Sie sich beim Anblick des Sternenhimmels schon einmal gefragt, warum der Nachthimmel dunkel ist, obwohl es im Universum so viele Sterne gibt?

Olbers' Paradoxon

Wenn wir schon dabei sind, müssen wir eine Person erwähnen, und das ist Oberth. Olbers war ein Deutscher, der 1758 während der Qianlong-Zeit der Qing-Dynastie in China geboren wurde. Oberth studierte Medizin am College und arbeitete nach seinem Abschluss als Arzt. Sein besonderes Interesse galt jedoch der Astronomie. Er arbeitete also als Arzt, behandelte tagsüber Patienten und beobachtete nachts den Himmel. Er hat mehrere Asteroiden und Kometen entdeckt.

Oberth

Oberth ist ein sehr nachdenklicher Mensch. Beim Anblick des sternenklaren Nachthimmels stellte Olbers eine Frage: Wenn das Universum unendlich ist, dann müsste es am Himmel eine unendliche Anzahl von Sternen geben, die der Sonne ähneln. Sie strahlen ständig große Mengen Licht und Wärme in den umgebenden Raum ab. Auf diese Weise sollten sie unseren Nachthimmel sehr hell erleuchten, aber warum ist der Sternenhimmel, den wir sehen, immer noch dunkel?

Tatsächlich hatten sich schon vor Olbers ähnliche Fragen den deutschen Astronomen Kepler gestellt.

Er sagte, wenn das Universum unendlich sei und die Zahl der Sterne unendlich, dann sei unsere Erde wie ein dichter Sternenwald, umgeben von Bäumen ohne Lücken. Diese die Erde umgebenden Sterne strahlen Licht und Wärme ab. Anstatt also einen dunklen Nachthimmel zu haben, sollte die Erde zu einer glühend heißen Hölle werden.

Das Olbers-Paradoxon besagt, dass der Nachthimmel in einem stationären Universum hell sein sollte.

Olbers hat selbst eine Antwort auf diese Frage gefunden. Er dachte, dass es zwar in der Ferne viele Sterne gäbe, ihr Licht jedoch von der Materie im Weltraum absorbiert würde, bevor es uns erreichen könne, weshalb der Sternenhimmel schwarz sei.

Aber jemand widersprach ihm und sagte, Ihre Antwort sei falsch. Die Materie in diesem Raum kann Sternenlicht absorbieren, sollte aber nach der Absorption wieder Licht aussenden, sodass die Gesamtlichtmenge nicht abnimmt!

Bei genauerem Hinsehen erscheint die von Olbers aufgeworfene Frage zunächst sinnvoll, führt jedoch zu einer falschen Schlussfolgerung, da der Nachthimmel von den Sternen nicht besonders hell erleuchtet wird und dennoch dunkel ist. Diese Situation wird als „Paradoxon“ bezeichnet. Später nannte man die von Olbers aufgeworfene Frage „Olbers-Paradoxon“.

Die Frage des Olbers-Paradoxons klingt wie eine einfache Frage, aber ihre Antwort ist tatsächlich nicht einfach. Auch viele berühmte Wissenschaftler sind davon verwirrt.

Ferne Sterne

Um diese Frage zu beantworten, denken viele Menschen zunächst an die Sterne um die Erde. Der Stern, der unserer Erde am nächsten ist, ist natürlich die Sonne. Das Sonnenlicht beleuchtet immer die Hälfte der Erde, sodass es auf dieser Halbkugel tagsüber sonnig ist. Die andere Hälfte der Erde, auf der sich Nacht befindet, kann es jedoch nicht beleuchten. Diese Hemisphäre kann nur Sternenlicht sehen.

Wie groß ist die Entfernung zwischen Sonne und Erde? Es handelt sich um etwa 150 Millionen Kilometer. Wenn Sie mit einem Düsenflugzeug von der Erde zur Sonne fliegen, dauert die Reise etwa 20 Jahre.

Weitwinkelfoto des Himmelsbereichs in der Nähe von Alpha Centauri

Der der Erde am nächsten gelegene Stern am südlichen Himmel ist neben der Sonne Alpha Centauri, dessen chinesischer Name „Nanmen I“ lautet, auch bekannt als „Proxima Centauri“. Seine Entfernung von unserer Erde beträgt etwa 4,3 Lichtjahre. Diese Entfernung beträgt in Kilometer umgerechnet etwa 40 Billionen Kilometer, was dem 270.000-fachen der Entfernung von der Erde zur Sonne entspricht! Würde man mit einem Düsenflugzeug ohne Zwischenlandung nach Alpha Centauri fliegen, würde dies fast 4,5 Millionen Jahre dauern!

Andere Sterne sind zwar sehr zahlreich, aber zu weit von uns entfernt.

Wir wissen, dass es in der Optik ein Gesetz gibt, das besagt, dass die Intensität des an einem Punkt empfangenen Lichts umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von diesem Punkt zur Lichtquelle ist. Dies bedeutet, dass das von einer Lampe abgegebene Licht nach vorne, hinten, links, rechts und in alle Richtungen strahlt. Man kann sich vorstellen, dass das Licht eine Kugel bildet. Je weiter das Licht reist, desto größer wird die Kugel. Mit zunehmender Größe des Balls vergrößert sich auch seine Oberfläche, und das darauf einfallende Licht wird immer stärker gestreut, sodass die Lichtintensität immer schwächer wird.

Daher wird das Licht weiter entfernter Sterne schwächer, wenn es unsere Erde erreicht, sodass einige Sterne noch immer kaum zu sehen sind, während viele Sterne überhaupt nicht zu sehen sind. Natürlich können sie unseren Nachthimmel nicht erhellen.

Dieses sogenannte „inverse Quadratgesetz“ des Lichts ist eine der Erklärungen für das „Olbers-Paradoxon“.

Das Ergebnis der Expansion des Universums

In den letzten Jahren haben einige Leute im Zuge der wissenschaftlichen Entwicklung eine andere Erklärung für das „Olbers-Paradoxon“ vorgeschlagen. Es stellt sich heraus, dass sich eine große Zahl von Himmelskörpern im Universum – hauptsächlich Galaxien, deren Sterne zu schwach sind, um mit bloßem Auge gesehen zu werden – schnell von uns entfernen. Dies ist die sogenannte „kosmische Expansion“.

Die „Expansion des Universums“ wird dazu führen, dass sich diese besonders weit entfernten Sterne und Galaxien mit einer so hohen Geschwindigkeit von uns entfernen, dass das von ihnen ausgesandte Licht, wenn es die Erde erreicht, nicht nur eine extrem geringe Intensität aufweist, sondern auch die Energie der Photonen, aus denen das Licht besteht, sehr gering ist, sodass wir sie nicht mehr sehen können! Daher ist das Universum in unseren Augen „dunkel“.

Schematische Darstellung des Urknalls

Apropos. Verstehen Sie einige der Gründe, warum der Nachthimmel dunkel ist?

Bis heute gibt es unterschiedliche Interpretationen davon, manche sogar sehr unterschiedliche. Es ist schwierig zu sagen, welche Antwort die einzig richtige ist. Daher ist diese Frage immer noch „offen“ und es wird teilweise noch darüber diskutiert und sogar gestritten.

Tatsächlich gibt es für viele große wissenschaftliche Probleme oft keine Antwort, deren Richtigkeit allgemein anerkannt ist, und sie befinden sich alle im Prozess der Erforschung.

Normalerweise machen Wissenschaftler zunächst Beobachtungen, stellen dann Hypothesen auf, um die Beobachtungen zu erklären, und testen diese Hypothesen anschließend durch Beobachtungen, wobei sie nach Beweisen suchen, die die Hypothese stützen oder widerlegen. Die Erforschung des berühmten wissenschaftlichen Problems des Olbers-Paradoxons spiegelt tatsächlich einen solchen Prozess wider.

Ein weiterer Punkt, der betont werden muss, ist, dass unser Nachthimmel nicht wirklich absolut dunkel ist. Wir können auf der Erde verschiedene hochenergetische oder niederenergetische Strahlungen empfangen, diese jedoch mit bloßem Auge nicht sehen. Genau dieses Thema und Objekt untersuchen Wissenschaftler!

Autor: Fu Yuan (astronomischer Wissenschaftler im Ruhestand)

Planung: Zhang Chao, Li Peiyuan, Yang Liu