В космосе темно не потому, что там «нет света», а потому, что свет обычно не попадает прямо в глаза наблюдателю и не рассеивается по всему окружающему пространству.
Свет мы видим благодаря двум основным процессам: либо источник сам излучает фотоны в нашу сторону, либо свет отражается от объекта и рассеивается. На Земле солнечный свет сталкивается с молекулами атмосферы. Они рассеивают его во многих направлениях, поэтому днём небо кажется ярким.
В космосе почти нет вещества, способного заметно рассеивать свет. Межпланетное и межзвёздное пространство чрезвычайно разрежено: там есть отдельные атомы, пыль и плазма, но их недостаточно, чтобы свет равномерно заполнял окружающее пространство. Поэтому, если смотреть не на Солнце, звезду или освещённый объект, в глаза почти не попадают фотоны — и фон кажется чёрным.
Звёзды при этом не исчезают: они выглядят как яркие точки на чёрном фоне. Каждая звезда посылает свет во множестве направлений, но до наблюдателя доходит лишь небольшая часть излучения. Кроме того, звёзды находятся очень далеко, поэтому на небе они занимают крошечные размеры. Их свет не превращает все небо в сияющую поверхность, а воспринимается как отдельные точки.
Темнота в космосе связана и с расширением Вселенной. Свет далёких галактик во время движения растягивается — его длина волны увеличивается, а энергия уменьшается. Это явление называется космологическим красным смещением. Часть излучения смещается в инфракрасный и ещё более длинноволновый диапазон, невидимый человеческому глазу.
Если во Вселенной огромное количество звёзд, почему весь небосвод не должен быть ярким? Это известно как парадокс Ольберса. В простой модели бесконечной, вечной и неподвижной Вселенной любой взгляд в конечном счёте упирался бы в поверхность звезды, и небо действительно было бы светлым. Но наша Вселенная расширяется, а свет от очень далёких объектов ещё не успел до нас дойти. Поэтому ночное небо остаётся преимущественно тёмным.
Важно различать «темноту космоса» и отсутствие света. В космосе постоянно распространяется электромагнитное излучение: видимый свет, инфракрасные волны, радиоволны, ультрафиолет, рентгеновское и гамма-излучение. Просто человеческий глаз воспринимает лишь небольшой участок этого спектра. Если бы мы видели все длины волн, космос выглядел бы гораздо более насыщенным излучением, хотя не обязательно ярким в привычном смысле.
Итак, космос кажется тёмным по трём главным причинам: в нём почти нет вещества для рассеяния света, большинство фотонов летит не в сторону наблюдателя, а излучение далёких объектов смещается в невидимые диапазоны. Темнота космоса — это не отсутствие света, а отсутствие достаточного количества света, направленного к нам и рассеянного.