Obrazový kredit: JHU
Astronomové z John Hopkins University oznámili několik týdnů zpět, že pokud jste zprůměrovali barvu všech hvězd ve vesmíru, výsledkem by byla akvamarínová barva. Jakmile okouzlili chybu a znovu provedli výpočty, průměrná barva celého vesmíru se stala béžovou.
Jaká je barva vesmíru? Tuto zdánlivě jednoduchou otázku astronomové nikdy neodpověděli. Je obtížné provést přesné a úplné sčítání veškerého světla ve vesmíru.
Avšak pomocí průzkumu 2dF Galaxy Redshift Survey - nového průzkumu více než 200 000 galaxií, který měří světlo z velkého objemu vesmíru - jsme se nedávno mohli pokusit odpovědět na tuto otázku. Vytvořili jsme to, čemu říkáme „Kosmické spektrum“, což představuje veškerý součet veškeré energie v místním objemu vesmíru emitovaného při různých optických vlnových délkách světla. Takto vypadá kosmické spektrum:
Toto je graf energie emitované ve vesmíru pro různé vlnové délky světla (data zde). Ultrafialové a modré světlo je vlevo a červené světlo vpravo. Toto je vytvořeno sčítáním všech individuálních spekter samostatných galaxií v průzkumu 2dF. Součet představuje světlo všech hvězd. Věříme, že vzhledem k tomu, že průzkum 2dF je tak velký (dosahuje několika miliard světelných let), je toto spektrum skutečně reprezentativní. Kosmické spektrum můžeme také ukázat takto:
Zde jsme dali přibližnou barvu, kterou by oko vidělo při každé vlnové délce světla (i když opravdu nemůžeme vidět hodně světla pod asi 4000 Angstromů, blízké ultrafialové záření a přísně monitory nemohou přesně zobrazovat monochromatické barvy, barvy duhy) .
Můžete to považovat za to, co by oko vidělo, kdybychom dali veškeré světlo ve vesmíru hranolem k vytvoření duhy. Intenzita barvy je úměrná intenzitě barvy ve vesmíru.
Jaká je tedy průměrná barva? tj. barva, kterou by pozorovatel viděl, kdyby měl vesmír v krabici, a mohl by vidět všechny světlo najednou (a to se nepohybovalo, pro skutečného pozorovatele na Zemi, čím dál od nás galaxie, tím více je to redshifted. Před kombinací jsme de-redshifted veškeré naše světlo).
Abychom mohli odpovědět na tuto otázku, musíme spočítat průměrnou odpověď lidského oka na tyto barvy. Jak vyjádřit tuto barvu? Nejobjektivnějším způsobem je citovat hodnoty CIE x, y, které určují umístění barvy v chromatickém diagramu CIE, a tedy i stimul, který by oko vidělo. Jakékoli spektrum se stejným x, y musí dát stejnou vnímanou barvu. Tato čísla jsou (0,345,0,345) a jsou robustní, spočítali jsme je pro různé dílčí vzorky průzkumu 2dF a liší se nevýznamně. Vypočítali jsme je dokonce pro spektroskopický průzkum Sloan Digital Sky Survey (který předběhne 2dFGRS jako největší průzkum s červeným posunem někdy v roce 2002) a jsou v podstatě stejné.
Jaká je ale skutečná barva? Abychom to mohli udělat, musíme udělat nějaké předpoklady o lidské vizi a stupni obecného osvětlení. Musíme také vědět, co monitor, čtenář, používáte! To je samozřejmě nemožné, ale můžeme odhadnout průměrný odhad. Tady jsou tedy barvy:
Jaké jsou všechny tyto barvy? Představují barvu vesmíru pro různé bílé body, které představují přizpůsobení lidského oka různým druhům osvětlení. Budeme vnímat různé barvy za různých okolností a druh spektra, které se objeví „bílé“, se bude lišit. Běžným standardem je „D65“, což je blízké nastavení denního světla (na mírně zatažené obloze) jako bílé a ve srovnání s nímž se vesmír jevil načervenalý. „Illuminant E“ (bílý energetický bod se stejnou energií) je pravděpodobně to, co byste viděli pro bílou, když se přizpůsobí tma. „Illuminant A“ představuje vnitřní osvětlení, ve srovnání s kterým je vesmír (a denní světlo) velmi modrý. Také zobrazujeme barvu s a bez korekce gama 2,2, což je nejlepší pro zobrazení na typických monitorech. Poskytujeme lineární soubor, takže můžete použít svůj vlastní gama, pokud si budete přát.
Téměř určitě se musíte podívat na barevné skvrny označené „gama“, ale ne všechny displeje jsou stejné, takže se váš počet najetých kilometrů může lišit.
Co se tedy stalo s „tyrkysovou“?
V našem kódu jsme našli chybu! V našem původním výpočtu, který jste si mohli přečíst v tisku, jsme použili (v dobré víře) software s nestandardním bílým bodem. Spíše měl použít bílý bod D65, ale nepoužil jej. Výsledkem byl efektivní bílý bod poněkud červenější než Illuminant E (jako by kolem něj byla nějaká červená neonová světla) při 0,365,0335. Ačkoli hodnoty x, y vesmíru se nezměnily od našeho původního výpočtu, posun v bílém bodě způsobil, že vesmír vypadal „tyrkysově“. (tj. x, y, zůstává stejný, ale odpovídající efektivní hodnoty RGB se posunou).
Není třeba říkat, že od prvního výpočtu jsme měli hodně korespondence s vědci barvy a nyní jsme napsali vlastní software, abychom získali přesnější hodnotu barvy. Přiznáváme, že barva vesmíru byla něco jako trik, abychom se pokusili zpřístupnit náš příběh ve spektrech. Přesto je to skutečná vypočítatelná věc, takže věříme, že je důležité ji napravit.
Chtěli bychom zdůraznit, že náš původní záměr byl v našem příspěvku pouze zábavná poznámka pod čarou, původní tiskový příběh vyletěl nad naše nejdivočejší očekávání! Tato chyba trvalo nějakou dobu, než si to uvědomila a vystopovala. Pouze hrstka barevných vědců měla odborné znalosti, aby chybu odhalila. Jednou morálkou tohoto příběhu je, že jsme měli věnovat více pozornosti aspektu „barevné vědy“ a měli jsme to také posoudit.
Dost řečí. Jaká je tedy barva vesmíru?
Opravdu odpověď je tak blízko bílé, je těžké říci. Proto měla taková malá chyba tak velký účinek. Nejběžnější volbou pro bílou je D65. Pokud bychom však měli zavést paprsek kosmického spektra do místnosti silně osvětlené pouze žárovkami (iluminant A), zdálo by se to velmi modré, jak je uvedeno výše. Celkově je pravděpodobně Illuminant E nejsprávnější, když se díváme na vesmír z dálky v temných podmínkách. Náš nový nejlepší odhad je tedy:
BÉŽOVÝ
Ačkoli je možné, že by to mohlo vypadat více růžově (jako D65 výše). Hodně štěstí, pokud uvidíte rozdíl mezi touto barvou a bílou! Měli byste být schopni to jen vidět, ale pokud bychom pozadí stránky zčernali, bylo by to velmi obtížné! Na tuto barvu jsme dostali řadu návrhů zaslaných e-mailem. Máme první desítku a vítěze považujeme za „Cosmic Latte“ za neobjektivní kofein!
Simulace vesmíru
Kvůli všem těmto složitostem jsme se rozhodli vidět sami. Mark Fairchild v Munsell Color Laboratories v Rochesteru, NY, pracuje s námi na simulaci kosmického spektra, mohou ovládat světelné zdroje tak, aby poskytovaly přesně stejnou stimulaci červeného / zeleného / modrého oka, jaké byste viděli z kosmického spektra. Budeme si to moci prohlížet za různých světelných podmínek, možná simulujících hluboký prostor, a sami si vidět skutečnou barvu vesmíru.
Skutečný vědecký příběh
Náš skutečný motiv pro výpočet kosmického spektra byl samozřejmě mnohem víc než jen výroba těchto pěkně barevných obrázků. Barva je zajímavá, ale ve skutečnosti je kosmické spektrum bohaté na detaily a vypráví nám mnohem více o historii vzniku hvězd ve vesmíru. Možná jste si všimli výše, že kosmické spektrum obsahuje tmavé linie a jasné pruhy, které odpovídají charakteristické emisi a absorpci různých prvků:
To vám může připomenout Fraunhoferovy linie ve Slunečním spektru. Přesně stejný proces atomové absorpce funguje. Síla tmavých čar je určena teplotami hvězd přispívajícími do kosmického spektra. Starší hvězdy mají chladnější atmosféru a vytvářejí jinou řadu linek než horké mladé hvězdy. Analýzou spektra můžeme zjistit jejich relativní proporce a pokusit se odvodit, jaká byla míra formování hvězd v minulých věcích vesmíru. Gory podrobnosti této analýzy jsou uvedeny v Baldry, Glazebrook, et al. 2002. Zde je uveden jednoduchý obrázek našich odvozených nejpravděpodobnějších dějin vzniku hvězd ve vesmíru:
Všechny tyto modely dávají správné kosmické spektrum v průzkumu 2dF a všechny říkají, že většina hvězd v časopisu Space Magazine vznikla před více než 5 miliardami let. To samozřejmě znamená, že barva vesmíru by se v minulosti lišila, když by bylo více horkých mladých modrých hvězd. Ve skutečnosti můžeme vypočítat, co by to bylo z našeho nejlepšího modelu. Vývoj barvy z před 13 miliardami let na 7 miliard let v budoucnu vypadá podle našich různých předpokladů takto:
Vesmír začínal být mladý a modrý a postupně se sčervenal, jak se vytvářelo populace vyvinutých „červených“ obřích hvězd. Míra tvorby nových hvězd v posledních 6 miliardách let prudce poklesla v důsledku poklesu zásob mezihvězdného plynu pro vytváření nových hvězd. Jak rychlost formování hvězd nadále klesá a čím více hvězd se stávají červenými obry, barva vesmíru bude červenější a červenější. Nakonec zmizí všechny hvězdy a nezůstanou nic než černé díry. I ty se nakonec vypaří pomocí Hawkingova procesu a nezůstane nic, kromě starého světla, které se samo zčervená, jak se vesmír navždy rozšiřuje (v současném kosmologickém modelu).
Původní zdroj: JHU News Release
