Γιατί ο νυχτερινός ουρανός μοιάζει με θόλο;

Όταν κοιτάμε τον ουρανό, προφανώς μας φαίνεται οτι μοιάζει με θόλο· ένα θόλο που εκτείνεται από τα πιο απομακρυσμένα πέρατα του ορίζοντα, πολλά χιλιόμετρα μακριά, μέχρι μερικές εκατοντάδες μέτρα πάνω από το σημείο όπου βρισκόμαστε. Έχουμε αυτή την αίσθηση είτε είναι ημέρα είτε νύχτα. Και, ναι μεν κατά τη διάρκεια της ημέρας είναι αρκετά προφανές οτι έτσι θα έπρεπε να είναι: υπάρχουν σύννεφα στον ουρανό, και τα σύννεφα εκείνα που βρίσκονται στον ορίζοντα μοιάζουν να είναι πολύ-πολύ μακριά (και όντως είναι: δεκάδες χιλιόμετρα, αρκεί να μας επιτρέπει η ατμοσφαιρική κατάσταση να τα βλέπουμε)· ενώ τα σύννεφα εκείνα που βρίσκονται πάνω από το κεφάλι-μας είναι περίπου 500 μέτρα πιο πάνω· και μπορεί να εκτείνονται πολύ πιο ψηλά, αλλά αυτά που πιο συχνά παρατηρούμε είναι τα κοντινότερα προς εμάς. Άρα, την ημέρα, ο ουρανός όντως είναι σαν θόλος. Δείτε την ακόλουθη εικόνα:

Η παραπάνω εικόνα είναι μια αποτύπωση οθόνης από το Google Earth. Υποθέστε οτι στέκεστε στην επιφάνεια της Γης, κάπου στο μέσον της κόκκινης γραμμής. Τί θα βλέπατε αν υψώνατε το βλέμμα προς τον ουρανό; Για να βοηθηθείτε, το τμήμα του ουρανού (η ατμόσφαιρα της Γης) που θα βλέπατε έχει αντιγραφεί-επικολληθεί πιο πάνω, στη μαύρη περιοχή (στο “διάστημα”), και το εικονίδιο του ματιού που τοποθετήθηκε εκεί σημειώνει εσάς, τον παρατηρητή. Αυτό που θα βλέπατε βρίσκεται πάνω από το εικονίδιο του ματιού. Δεν μοιάζει απλώς με θόλο· είναι θόλος. Τα σύννεφα μπορεί να μας βοηθούν να αντιλαμβανόμαστε τον ημερήσιο αυτό θόλο ευκολότερα, αλλά ακόμα και σε πλήρη απουσία συννέφων το τμήμα της ατμόσφαιρας που βλέπουμε είναι πράγματι ένας θόλος.

Αυτό, παρεμπιπτόντως, έχει αποτυπωθεί στον τρόπο με τον οποίο ορισμένες θρησκείες σχεδιάζουν τους τρούλους των εκκλησιών ή των τζαμιών-τους. Η παρακάτω φωτογραφία είναι από τη Θήρα (Σαντορίνη):

Βλέπουμε οτι η παράδοση της Ελληνικής Ορθόδοξης Εκκλησίας θέλει τις εκκλησίες-της να τελειώνουν στο υψηλότερο σημείο-τους με ένα θόλο, τον τρούλο, που υποτίθεται οτι αντιπροσωπεύει τον ουρανό κάτω από τον οποίο ο Θεός μας έβαλε να ζούμε. Στο νησί της Θήρας, βάφουν τους τρούλους των εκκλησιών με το θαλασσί χρώμα του ουρανού, έτσι ακριβώς όπως εμφανίζεται ο ουρανός πάνω από το νησί κατά το μεγαλύτερο μέρος του έτους.

Θαυμάσια. Άρα κατά τη διάρκεια της ημέρας υπάρχει πραγματικά αντικειμενικός λόγος για τον οποίο αντιλαμβανόμαστε τον ουρανό σαν θόλο. Αλλά κατά τη διάρκεια της νύχτας; Δεν βλέπουμε την ατμόσφαιρα τη νύχτα! (Δεν υπάρχει ηλιακό φως για να σκεδαστεί στην ατμόσφαιρα και να αφεθεί μόνο το γαλάζιο χρώμα από ολόκληρο το φάσμα να περάσει, να φτάσει στα μάτια-μας, και να μας επιτρέψει να δούμε ένα γαλάζιο θόλο.) Τη νύχτα, η ατμόσφαιρά μας γίνεται διάφανη. Βλέπουμε διαμέσου αυτής, και μπορούμε να δούμε μέχρι τα μακρινά άστρα. (Μπορούμε να δούμε ακόμα και τρεις γαλαξίες.) Αλλά όταν κοιτάμε τα άστρα, και πάλι μοιάζουν να είναι τοποθετημένα πάνω σε ένα θόλο! Γιατί συμβαίνει αυτό; Αν το σκεφτείτε, τα άστρα βρίσκονται σε τεράστιες αποστάσεις από τη Γη. Επιπλέον, το ένα συγκρινόμενο με το άλλο βρίσκονται σε εξαιρετικά διαφορετικές αποστάσεις από εμάς. Ο Σείριος, για παράδειγμα (το λαμπρότερο άστρο του ουρανού) απέχει μόνο 8,6 έ.φ. (έτη φωτός) από εμάς. Ο Ντενέμπ όμως, ένα άστρο πρώτου μεγέθους που μπορεί να ιδωθεί από τα βόρεια γεωγραφικά πλάτη τις περισσότερες εποχές του έτους, βρίσκεται στην “αστρονομική” απόσταση των ~1500 ε.φ. μακριά-μας! Γιατί τόσο ο Σείριος όσο και ο Ντενέμπ (όπως και κάθε άλλο άστρο) μοιάζουν να είναι τοποθετημένοι πάνω σε ένα “θόλο” τη νύχτα, μόλις πάνω από τα κεφάλια-μας, παρόλο που ο Ντενέμπ είναι κάπου 175 φορές μακρύτερα από το Σείριο;

Για ένα πιο συγκεκριμένο παράδειγμα, θεωρήστε τα άστρα του “Σταυρού του Νότου”, που εμφανίζονται στις σημαίες της Αυστραλίας και της Νέας Ζηλανδίας:

Στα αριστερά, βλέπουμε τη σημαία της Αυστραλίας, που περιλαμβάνει μια πολύ σχηματική απεικόνιση του Σταυρού του Νότου στα δεξιά-της, και πιθανώς τον Ρίγκιλ του Κενταύρου (ή ίσως τον Χαντάρ) ακριβώς κάτω από το έμβλημα της Κοινοπολιτείας. Στα δεξιά, βλέπουμε τις πραγματικές θέσεις των αστέρων αυτών στο νυχτερινό ουρανό. Οι αποστάσεις από τη Γη αρκετών από αυτά τα άστρα σημειώνονται στα δεξιά, ως αριθμοί ακολουθούμενοι από “l.y.” (έ.φ., έτη φωτός). Παρατηρούμε οτι οι αποστάσεις-τους έχουν τεράστιες διαφορές. Για παράδειγμα, ενώ ο Ρίγκιλ του Κενταύρου είναι μόνο 4,4 έ.φ. μακριά (το κοντινότερο στη Γη αστρικό σύστημα), ο Χαντάρ (δεξιά-του) βρίσκεται στα 525 έ.φ. Και τα αστέρια του Σταυρού του Νότου διαφέρουν σε αποστάσεις επίσης πολύ: η Μιμόζα στα 278 έ.φ., ο Acrux στα 321 έ.φ., ο Gacrux στα 88 έ.φ., και ένα πολύ αμυδρό αστεράκι που ονομάζεται 35 Crucis είναι στα 1832 έ.φ. μακριά! Γιατί βλέπουμε όλα αυτά τα άστρα σαν διακοσμητικά λαμπάκια σε ένα θόλο (που είναι ο τρόπος με τον οποίο τα περιέγραψαν κάποιες θρησκείες· π.χ. αυτό λέει ο “Αλλάχ” οτι είναι τα άστρα στο Κοράνι του Ισλάμ: μικρά διακοσμητικά φωτάκια), παρόλο που οι αποστάσεις-τους είναι τόσο διαφορετικές;

Για να καταλάβουμε κάπως καλύτερα πώς είναι τοποθετημένα τα άστρα σε σχέση μ’ εμάς, πιθανώς το ακόλουθο “στερεόγραμμα” θα βοηθήσει:

Μπορείτε να δείτε το παραπάνω στερεόγραμμα σε τρεις διαστάσεις αν καταφέρετε να δείτε το αριστερό τμήμα-του με το αριστερό-σας μάτι, και το δεξιό τμήμα-του με το δεξιό-σας μάτι.

Δείχνει αρκετά από τα άστρα της γειτονιάς-μας στις θέσεις-τους γύρω από τον Ήλιο. Δεν είναι οτι ο Ήλιος βρίσκεται στο κέντρο του σύμπαντος, αλλά βρίσκεται στο κέντρο αυτού του στερεογράμματος (τόσο αριστερά όσο και δεξιά). Και δεν συμβαίνει οτι τα άλλα άστρα περιστρέφονται γύρω από τον Ήλιο, αλλά το στερεόγραμμα τα δείχνει να το κάνουν αυτό, για να μας επιτρέψει να τα δούμε από όλες τις γωνίες. (Είναι σαν να κινούμαστε εμείς γύρω-γύρω από τον Ήλιο, με τις θέσεις των άστρων να είναι σταθερές, και να τα βλέπουμε υπό κάθε δυνατή γωνία.) Βλέπουμε λοιπόν οτι τα άστρα βρίσκονται σε όλες τις δυνατές θέσεις και σε όλες τις δυνατές αποστάσεις και γωνίες γύρω από τον Ήλιο (άρα και τη Γη) — καμία σχέση με το “θόλο” που νομίζουμε πως βλέπουμε εμείς όταν τα παρατηρούμε από τη Γη κατά τη διάρκεια της νύχτας.

Άρα, για να συνοψίσουμε το ερώτημα: αν ο ημερήσιος “γαλάζιος θόλος” δικαιολογείται αντικειμενικά, πώς δικαιολογείται ο “μαύρος θόλος” της νύχτας;

Η απάντηση ακολουθεί. Και η απάντηση έχει να κάνει με τους περιορισμούς της ανθρώπινης όρασης. Συγκεκριμένα, με τους τρόπους με τους οποίους αντιλαμβανόμαστε το βάθος. Θα εξετάσουμε τους μηχανισμούς με τους οποίους αντιλαμβανόμαστε το βάθος, και θα διαπιστώσουμε οτι όλοι αποτυγχάνουν στην περίπτωση του έναστρου νυχτερινού ουρανού.

1. Διοπτική ανομοιότητα

Ο όρος “διοπτική ανομοιότητα” αναφέρεται στην ανομοιότητα μεταξύ των δύο εικόνων που λαμβάνει ο εγκέφαλος από τον αριστερό και το δεξιό οφθαλμό. Οι δύο εικόνες διαφέρουν λίγο, γιατί το κάθε μάτι βλέπει τον κόσμο υπό διαφορετική γωνία. Κοιτάξτε το παρακάτω διάγραμμα:

Στην αριστερή πλευρά του διαγράμματος, τα δύο μάτια εστιάζουν σε ένα κοντινό αντικείμενο. Για το λόγο αυτό, η γωνία που σχηματίζουν οι δυο ευθείες που περνούν από το φακό του ματιού και το αντικείμενο εστιάζοντας σ’ αυτό, είναι σχετικά μεγάλη. Αν το αντικείμενο είναι μακριά, η γωνία είναι στενότερη (δεξιά πλευρά του διαγράμματος). Μια μεγαλύτερη γωνία (αριστερά) προκαλεί μεγαλύτερη ανομοιότητα μεταξύ των δύο εικόνων στον εγκέφαλο και, παρόμοια, μια μικρότερη γωνία (δεξιά) προκαλεί μικρότερη ανομοιότητα. Από την ανομοιότητα αυτή, ο εγκέφαλος συνάγει την απόσταση ορισμένων αντικειμένων.

Τώρα, για να λειτουργήσει ο παραπάνω μηχανισμός, το αντικείμενο πέπει να είναι όχι παραπέρα από περίπου 50 μ. Πέρα από αυτή την απόσταση η ανομοιότητα γίνεται τόσο μικρή που ο εγκέφαλος αδυνατεί να την εντοπίσει.

Ασφαλώς, τα αστέρια του έναστρου νυχτερινού ουρανού είναι πολύ, πολύ μακρύτερα από 50 μ. (Και αυτό είναι υποτίμηση πρώτου μεγέθους. Το κοντινότερο άστρο, ο Εγγύτατος του Κενταύρου, βρίσκεται 4,24 έ.φ. — ή περίπου 40 τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα — μακριά.)

Άρα: η διοπτική ανομοιότητα δεν βοηθά για την εκτίμηση αποστάσεων άστρων.

2. Εστίαση οπτικού φακού

Όταν κοιτάμε ένα κοντινό αντικείμενο, ο φακός του ματιού εστιάζει σ’ αυτό, κρατώντας-το υπό οξεία εστίαση ενώ θαμπώνει τα πιο μακρινά αντικείμενα. Παρόμοια, όταν κοιτάμε ένα μακρινό αντικείμενο, ο φακός του ματιού εστιάζει σ’ αυτό ενώ θαμπώνει τα πιο κοντινά αντικείμενα. Αυτό μπορούμε να το δούμε στις ακόλουθες εικόνες:

Αριστερά, η εστίαση γίνεται στα μακρινά αντικείμενα. Μπορούμε να δούμε καθαρά τα αντικείμενα στο λόφο όπως και τη νησίδα, πέρα στον ορίζοντα. Όμως οι πέτρες που σχηματίζουν το κοντινό πλαίσιο και οι κίτρινες λειχήνες στο βράχο στο μέσον και κάτω τμήμα της φωτογραφίας (επίσης κοντινό αντικείμενο) είναι όλες θαμπές.

Δεξιά, έχουμε την αντίθετη κατάσταση: η εστίαση είναι στα κοντινά αντικείμενα. Μπορούμε να δούμε τις πέτρες και τις λειχήνες με κάθε λεπτομέρεια, αλλά ο μακρινός λόφος και η νησίδα μετά βίας μπορούν να ιδωθούν — είναι θαμπά.

Έτσι λειτουργεί ο οπτικός φακός του ανθρώπινου ματιού. Ακόμη και οι φακοί των φωτογραφικών μηχανών λειτουργούν με το ίδιο τρόπο, αλλά στις μέρες-μας οι φακοί των κινητών γίνονται τόσο μικροσκοπικοί που κρατούν τα πάντα κάτω από οξεία εστίαση (χωρίς να επιτρέπουν την έντεχνη φωτογραφία, αλλά κάνοντας ευτυχή τα δισεκατομμύρια των χρηστών-τους). Χρειάζεται κανείς ένα σχετικά μεγάλο φακό σε φωτογραφική μηχανή (επαγγελματική) για να παρατηρήσει το αποτέλεσμα της εστίασης και του θαμπώματος.

Και πάλι, αυτός ο μηχανισμός δουλεύει για κοντινές αποστάσεις μόνο· όχι παραπέρα από 20–30 μ. Εφόσον εστιάσουμε σε κάποια αντικείμενα παραπέρα από περίπου 30 μ., όλα τα ακόμα πιο μακρινά αντικείμενα εμφανίζονται υπό οξεία εστίαση.

Άρα κι αυτός ο μηχανισμός αποτυγχάνει με αντικείμενα όπως τα άστρα, που βρίσκονται τρισεκατομμύρια και τετράκις εκατομμύρια χιλιόμετρα μακριά.

3. Επικάλυψη αντικειμένων

Δείτε την παρακάτω εικόνα:

Το κοντινό ιγκλού μερικώς επικαλύπτει το ελαφρώς πιο μακρινό ιγκλού. Η επικάλυψη είναι άλλος ένας μηχανισμός μέσω του οποίου αντιλαμβανόμαστε το βάθος. Ένα αντικείμενο στο υπόβαθρο προφανώς δεν μπορεί να επικαλύψει ένα μπροστινό-του αντικείμενο, και ο εγκέφαλος το γνωρίζει αυτό, εξάγοντας συμπεράσματα για το ποιο αντικείμενο είναι κοντύτερα και ποιο μακρύτερα.

Αλλά τα άστρα είναι σημειακά αντικείμενα. Δεν μπορούν να επικαλύψουν το ένα το άλλο. Άρα κι αυτός ο μηχανισμός είναι άχρηστος και αποτυγχάνει στην περίπτωση των άστρων.

4. Σκίαση

Δείτε την ακόλουθη φωτογραφία:

Οι σκιές είναι άλλος ένας εξαιρετικός τρόπος να αντιλαμβανόμαστε το βάθος — δεδομένου οτι είναι παρούσες. Στη φωτογραφία, το άτομο με το κόκκινο τουρμπάνι ρίχνει τη σκιά-του στο έδαφος, που μας βοηθά να καταλάβουμε οτι στέκεται όρθιος, και επίσης υπό ποια γωνία βρίσκεται σε σχέση με τη δική-μας οπτική ευθεία. Το ίδιο κάνει και το άλλο άτομο που κάθεται, όπως και οι γαβάθες και τα υπόλοιπα αντικείμενα στο έδαφος. Οι σκιές έχουν συνέπεια, φερόμενες προς την ίδια διεύθυνση από όλα τα αντικείμενα (αλλιώς θα αποτυγχάναμε να καταλάβουμε πού βρίσκεται η πηγή του φωτός).

Αλλά τα αστέρια δεν είναι αντικείμενα που παράγουν σκιές επί του υποβάθρου-τους (το νυχτερινό ουρανό). Οπότε ούτε αυτός ο μηχανισμός εφαρμόζεται σε αστέρια.

5. Μέγεθος εξαρτώμενο από απόσταση

Όταν ένα αντικείμενο γνωστού μεγέθους είναι κοντά, εμφανίζεται μεγάλο. Όταν είναι μακριά, εμφανίζεται μικρό. Ιδού σχηματικά η ιδέα:

Το φορτηγό (αντικείμενο λίγο-πολύ γνωστού μεγέθους) εμφανίζεται μεγάλο όταν είναι κοντά-μας, καλύπτοντας ένα μεγάλο μέρος του αμφιβληστροειδούς χιτώνα του ματιού και, αντίστοιχα, του οπτικού φλοιού του εγκεφάλου. Όσο πιο μακριά πάει, τόσο μικρότερο γίνεται το αποτύπωμά του στον αμφιβληστροειδή και στον οπτικό φλοιό.

Αυτός είναι άλλος ένας μηχανισμός μέσω του οποίου καταλαβαίνουμε αποστάσεις. Όμως απαιτεί αντικείμενο με μέγεθος και σχήμα που μας είναι οικείο.

Προφανώς τα αστέρια, όντας σημειακά φώτα στον ουρανό, δεν έχουν ούτε μέγεθος ούτε σχήμα. Άρα, πάλι, κι αυτός ο μηχανισμός αποτυγχάνει.

6. Προοπτική

Δείτε την ακόλουθη φωτογραφία:

Οι σιδηροδρομικές γραμμές στο έδαφος μοιάζουν να συγκλίνουν σε ένα σημείο στο “άπειρο”, πολύ μακριά σε απόσταση. Αυτό συμβαίνει επειδή είναι παράλληλες. Το φαινόμενο ονομάζεται “προοπτική”, και πήρε πολύ καιρό για τους ζωγράφους του Μεσαίωνα να το καταλάβουν και να φτιάξουν έργα ζωγραφικής που έμοιαζαν κάπως πιο ρεαλιστικά. Κατά τους χρόνους της Αναγέννησης, οι ζωγράφοι είχαν αντιληφθεί πλήρως τις αρχές της προοπτικής.

Αλλά τα άστρα στον ουρανό είναι σημειακά, δεν μας δίνουν σε καμιά περίπτωση την ευκαιρία να εφαρμόσουμε αρχές προοπτικής επί αυτών. Ας ξεχάσουμε κι αυτόν το μηχανισμό λοιπόν.

7. Απορρόφηση μηκών κύματος

Σε μερικές περιπτώσεις, η απορρόφηση ορισμένων μηκών κύματος από την ατμόσφαιρά μας βοηθά να αντιληφθούμε αποστάσεις. Αυτό φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα:

Το κοντινό βουνό φαίνεται με όλα τα χρώματά του. Όσο πιο μακριά κοιτάμε, τόσο πιο πολλή από την ατμόσφαιρα του πλανήτη-μας στέκεται μεταξύ ημών και των αντικειμένων. Αυτό κάνει τα χρώματα με τα μεγαλύτερα μήκη κύματος (κόκκινο, πορτοκαλί, κίτρινο, πράσινο) να απορροφώνται, αφήνοντας μόνο χρώματα με βραχύτερα μήκη κύματος (μπλε, ιώδες) να φτάνουν ως εμάς. Γι’ αυτό το λόγο τα βουνά σε μακρινές αποστάσεις έχουν ένα μπλε προς το ιώδες χρώμα, και έτσι τα ζωγραφίζουν σε πίνακες ζωγραφικής.

Δυστυχώς, για μια φορά ακόμα, δεν υπάρχει διαφορά στο τμήμα της ατμόσφαιρας που παρεμβάλλεται μεταξύ ημών και των άστρων. Επιπλέον, το παραπάνω φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί μόνο με το φως της ημέρας. Άρα ούτε αυτός ο μηχανισμός μας βοηθά να αντιληφθούμε τις αποστάσεις των άστρων.

Όπως είδαμε, κανένας από τους επτά μηχανισμούς μέσω των οποίων αντιλαμβανόμαστε αποστάσεις στη Γη δεν εφαρμόζεται στην περίπτωση των άστρων.

Ως αποτέλεσμα, δεν μπορούμε να καταλάβουμε πόσο μακριά ή κοντά είναι τα αστέρια. Έχουμε ακριβώς μηδέν πληροφορία για τις αποστάσεις-τους.

Ωραία. Αλλά τότε, γιατί τα βλέπουμε τοποθετημένα σε ένα θόλο; Γιατί δεν τα βλέπουμε να βρίσκονται σε ένα πολύ μεγάλο επίπεδο;

Αυτό έχει να κάνει με τον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε το έδαφος της Γης, το τοπίο γύρω-μας, όπως επίσης και με την προοπτική.

Αν αντιλαμβανόμασταν τα άστρα τοποθετημένα σε ένα απέραντο επίπεδο πάνω από τα κεφάλια-μας, τα άστρα των πολύ μακρινών αποστάσεων θα έπρεπε να είναι όλα αμυδρά. Όσο πιο μακριά κοιτούσαμε, τόσο πιο αμυδρά έπρεπε να φαίνονται τα άστρα. Αλλά δεν είναι αυτό που παρατηρούμε. Βλέπουμε τα αστέρια να έχουν μια ίση μέση κατανομή λαμπρότητας, είτε είναι μακριά στον ορίζοντα είτε στο ζενίθ από πάνω-μας. Αυτό μπορεί να συμβεί μόνο αν τα αστέρια είναι τοποθετημένα στο εσωτερικό μιας σφαίρας.

Όμως τα αντικείμενα του ορίζοντα (βουνά, κλπ) είναι πολύ μακριά, και το γνωρίζουμε αυτό. Συνεπώς τα άστρα κοντά στον ορίζοντα πρέπει να να είναι τουλάχιστον τόσο μακριά όσο τα αντικείμενα του ορίζοντα. Αντίθετα, τα άστρα στο ζενίθ-μας δεν έχουν κάποιο κοντινό αντικείμενο για να τα συγκρίνουμε, οπότε θεωρούμε οτι δεν είναι τόσο μακριά όσο εκείνα του ορίζοντα. Το συνολικό αποτέλεσμα όλων αυτών είναι οτι συμπεραίνουμε πως τα αστέρια τοποθετούνται σε ένα θόλο: στο εσωτερικό μιας σφαίρας, το ζενίθ της οποίας είναι κοντύτερα σ’ εμάς, και ο ορίζοντας της οποίας είναι στη μέγιστη απόσταση από εμάς.