Pytania z Kosmosu. Kim jesteśmy, skąd się wzięliśmy i dokąd zmierzamy - James Trefil, Neil deGrasse Tyson - ebook

Pytania z Kosmosu. Kim jesteśmy, skąd się wzięliśmy i dokąd zmierzamy ebook

James Trefil, Neil deGrasse Tyson

4,3

Opis

Bardzo jesteśmy ciekawi, jak to wszystko się zaczęło, zwłaszcza że „to, co najciekawsze w dziejach Wszechświata, zdarzyło się w pierwszej tysięcznej części sekundy”. Wniosek z tego płynie taki, że cała reszta nie ma większego znaczenia. Ale czy na pewno?

Równie mocno intryguje, jak to wszystko się skończy. Jedną z możliwych wizji jest Wielkie Rozdarcie, którego scenariusz autorzy już przygotowali: „Trzy miesiące przed Rozdarciem rozpadnie się Układ Słoneczny. Pół godziny przed finałem odległość między atomami zwiększy się tak bardzo, że nastąpi dezintegracja wszystkiego, co materialne: planet, skał, ludzi…”. Jakie inne warianty końca są zakładane?

A gdyby tak się zastanowić, co ma Nic do Wszystkiego? Biskup XIII-wiecznego Paryża na liście tez zakazanych umieścił wiarę w istnienie próżni obok zaklęć przyzywających diabła, toteż „rozmowa o istnieniu czegoś w oderwaniu od rozważań o istnieniu niczego” może się wydawać absurdalna. A jednak taka być nie musi, co przejrzyście wykładają dwa światłe umysły – astrofizyk Neil deGrasse Tyson oraz profesor fizyki James Trefil z sukcesami popularyzujący wiedzę o Wszechświecie.

Książka daje wskazówki, a jednocześnie rozbudza ciekawość. Hipotezy poparte naukowo (przystosowani górą!), logiczne łamigłówki (dlaczego kosmici nie zapukali jeszcze do naszych drzwi?), kulisy niezwykłych odkryć (co się przydarzyło pewnemu laureatowi Nagrody Nobla w piwnicznym laboratorium?), ograniczone, egocentryczne myślenie człowieka, który zakłada, iż wszystko, co żyje, musi być skonstruowane na podobieństwo tego, co zna – to wszystko i dużo, dużo więcej można znaleźć w tej efektownie wydanej książce. Bo na tym właśnie polega magia Tysona i Trefila – o tajemnicy ludzkiego życia, o zagadkach Wszechświata, o trudnej do pojęcia potędze Kosmosu snują opowieści, które czyta się z zapartym tchem. Dwaj kosmiczni specjaliści rzucają światło na zachodzące gdzieś wysoko nad naszymi głowami najbardziej skomplikowane procesy i zjawiska, które stają się dzięki temu znacznie przystępniejsze, wprawiają w zachwyt, fascynują, intrygują.

Szukajmy w Pytaniach z Kosmosu odpowiedzi – a znajdziemy je na pewno!

Ebooka przeczytasz w aplikacjach Legimi na:

Androidzie
iOS
czytnikach certyfikowanych
przez Legimi
czytnikach Kindle™
(dla wybranych pakietów)
Windows
10
Windows
Phone

Liczba stron: 225

Odsłuch ebooka (TTS) dostepny w abonamencie „ebooki+audiobooki bez limitu” w aplikacjach Legimi na:

Androidzie
iOS
Oceny
4,3 (8 ocen)
4
2
2
0
0

Popularność




Tym wszystkim, którzy z ciekawością i niepokojem poszukują naszego miejsca we Wszechświecie.

Rozgwieżdżone niebo i bioluminescencyjnie jarzące się wybrzeże Parku Narodowego Acadia w stanie Maine (fotografia kompozytowa). Strony 2–3: Komputerowa symulacja zderzenia dwóch czarnych dziur.

Rozmaitość życia na Ziemi: zabarwione kompozytowe obrazy popularnych nasion oglądanych w skaningowym mikroskopie elektronowym.

Od Autora

OD AUTORA

StarTalk to wieloformatowy (podcastowy, radiowy, telewizyjny) talk-show, który idealnie łączy naukę, rozrywkę i popkulturę. W jednej z wersji franczyzy, zatytułowanej Cosmic Queries, prosimy audytorium złożone z fanów StarTalko zadawanie pytań na dany temat. Odpowiadamy od razu podczas programu. Ku naszemu zaskoczeniu i wielkiej radości to właśnie Cosmic Queries stały się naszym ukochanym formatem.

Program nie zawsze pozwala na roztrząsanie najpoważniejszych kwestii, o które jesteśmy pytani, takich jak: „Skąd się to wszystko wzięło?", „Z czego powstało?", „Czy jesteśmy sami we Wszechświecie?" albo „Jak to wszystko się skończy?". Dlatego powstała książka – przemyślana, poukładana, napisana poglądowo i z werwą zakodowaną w DNA samego StarTalk. James Trefil – współautor, uczony i kolega po fachu, długoletni popularyzator fizyki – stworzył zasadnicze zręby niniejszego tomu, natomiast Lindsey N. Walker, główna producentka i autorka scenariuszy StarTalk, niezmordowanie dbała, żeby publikacja odzwierciedlała edytorskie przesłanie podcastu.

Rycina zamieszczona w książce z 1719 roku ilustruje dawną teorię geocentryczną.

Wstęp

WSTĘP

Mało kto zaprzeczy, że Wszechświat – skarbnica bezliku dociekań i śledztw – zajmuje jedyne w swoim rodzaju miejsce w centrum naszej zbiorowej ciekawości. Zatem to ów Wszechświat jest zarazem składnicą naszej bezgranicznej zbiorowej ignorancji. Nic dziwnego, że niebiosa są dosłownym i duchowym domem większości bogów, których ludzie od tysiącleci czcili bądź wciąż czczą. Pospolitym zajęciem wśród bóstw jest nadzór nad wszystkim, co umysłom nas, śmiertelników, wydaje się tajemnicze i wymykające kontroli śmiertelnych organizmów.

W otchłani oddzielającej ciekawość od granicy, za którą rozciąga się niewiedza kotłują się pytania. Te, które wszyscy zadają, oraz te stawiane tylko przez nielicznych. Nie wszystkie znalazły odpowiedź. A jeśli nawet, bywa że jest niepełna albo niewłaściwa. Pozostałe kwestie pozwalają spojrzeć na Ziemię oraz w gwiazdy i z wiarą, a nawet z odrobiną dumy obwieścić, że ludzki umysł zdołał ogarnąć co najmniej fragment Wszechświata. Jednocześnie musimy z pokorą przyznać, że w miarę zdobywania wiedzy powiększa się też zakres naszej niewiedzy.

Zadawanymi od zawsze wnikliwymi pytaniami o nasze miejsce we Wszechświecie Pytania z Kosmosu podsycą ciekawość, ale też rzucą w wir niepewności, zawieszą nad przepaścią, w miejscu gdzie kończy się wiedza. Dlaczego? Bo tam znajduje się prawdziwe źródło ciekawości i zarazem konsternacji: niewiedza z dołączoną odtrutką, jaką jest potrzeba poznania, wzmocniona naukowymi metodami i narzędziami odpowiednimi na kosmicznych bezdrożach.

ROZDZIAŁ 1

JAKIE MIEJSCE ZAJMUJEMY WE WSZECHŚWIECIE?

■ CZY ZIEMIA TO PLANETA?

■ ASTRONOMIA DOBY GNOMONU

■ POMOCNA PARALAKSA

■ JAK DUŻY JEST UKŁAD SŁONECZNY?

■ HENRIETTA LEAVITT I ŚWIECA STANDARDOWA

■ GALAKTYKI

■ MILIARDY, MILIARDY

■ OSTATNIE SŁOWO

Zachód Słońca nad Oceanem Spokojnym, widziany z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

Od tysięcy lat staramy się zrozumieć nasze miejsce w Kosmosie.

1

W barze spotykają się Isaac Newton i Arystoteles. Z za angażowaniem się spierają o to, co się faktycznie dzieje, gdy jabłko spada na ziemię. Obaj wyobrażają sobie spadanie, ale dostrzegają zupełnie co innego.

W Arystotelesowym świecie wszystko składa się z czterech pierwiastków (żywiołów): ziemi, powietrza, ognia i wody. Obiekt zbudowany wyłącznie z ziemi, bez trzech pozostałych pierwiastków, naturalnie ciąży ku centrum Wszechświata, które – zdaniem filozofa – jest wyznaczone środkiem Ziemi. Stąd przekonanie, że wszystkie ciała niebieskie krążą wokół nieruchomej Ziemi, a obiekty wewnętrzną naturą są przymuszone do spadania.

Newton nie zważał na to, z czego składa się obiekt. Interesował się jego masą. Wiedział, że Ziemia oddziałuje z pewną siłą na wszystko, co znajduje się na jej powierzchni. Prawo powszechnego ciążenia podpowiadało, że siła ta powoduje, iż wszystko spada.

Wiedział też, że działanie tej samej siły sięga Kosmosu. Że to ona utrzymuje Księżyc na orbicie. Gdyby nie stałe oddziaływanie grawitacji, oddaliłby się w przestrzeń kosmiczną.

Arystoteles zamawia retsinę, Newton – mocny miód pitny. Popijając, spierają się, kto ma rację. Newton proponuje prosty eksperyment: według jego koncepcji, jeśli pominąć opór powietrza, wszystkie upuszczane przedmioty będą spadały w tym samym tempie. Zdaniem Arystotelesa te duże, które zawierają więcej żywiołu ziemi niż małe, będą spadały szybciej. Tym szybciej, im więcej w nich ziemi. Panowie proszą barmana o drobną monetę i butelkę drogiego burbona. Przekonują się, że oba przedmioty, mimo że bardzo różniły się masą, faktycznie spadły jednocześnie. Newton wskazuje, że testowanie pomysłów, nawet sposobem nienaturalnym, jest istotą metody naukowej. Dzięki niej poszukiwanie prawd obiektywnych i zrozumienie naszego miejsca we Wszechświecie doprowadziło do gruntownych zmian w kondycji ludzkości.

Arystoteles płaci za napitki i rozbitą butelkę burbona.

■CZY ZIEMIA TO PLANETA?

Kosmologia sformułowana przez starożytnych Greków w przekazie Arystotelesa na więcej niż tysiąc lat zdominowała myślenie o naszym miejscu we Wszechświecie. Nauczała, że Ziemia jest tkwiącym nieruchomo centrum Kosmosu, miejscem wszelkiego życia, a wszystkie ciała niebieskie, w tym Słońce i gwiazdy, krążą wokół niej. Co więcej, zakładała, że wszelkie niedoskonałości dotyczą tylko Ziemi. Słońce i Księżyc uważano za odrębne, nieskazitelne sfery, podobnie jak kryształowe sfery z umocowanymi na nich planetami. Wszystkie one – umieszczone koncentrycznie, jedna w drugiej, na podobieństwo niewidzialnych matrioszek – wirowały. Odrębne od Ziemi sfery niebiańskie zostały zbudowane z czegoś innego i rządziły się innymi prawami. Ziemia w istocie nie była częścią Kosmosu, dopóki dzielącej ich przepaści nie zasypał Isaac Newton. Przywrócił tym naszej planecie miejsce we Wszechświecie.

NAJSŁYNNIEJSZY NIEUDANY EKSPERYMENT

Arystoteles z Isaakiem Newtonem mieli coś wspólnego. Obaj wierzyli, że eter – tajemnicza niewidzialna substancja – wypełnia pustkę. Aż do końca XIX w. fizycy roztropnie zakładali, że skoro rozchodzenie się fal dźwiękowych wymaga medium, jakim jest powietrze, czegoś podobnego potrzebuje też światło. Nazwali to świetlistym eterem. Przez wieki wielcy myśliciele sięgali po eter, żeby wytłumaczyć to, co zagadkowe. Arystoteles utrzymywał, że ciała niebieskie przemieszczają się na przezroczystych koncentrycznych kryształowych sferach, a pustkę między nimi wypełnia eter. Newton uważał, że przyczyną grawitacji jest nieustanny spływ eteru ku Ziemi. Kartezjusz postulował odpowiedzialność eteru za np. magnetyzm oraz pływy.

W 1887 r. chemik Edward Morley i fizyk Albert Michelson dostarczyli pierwszego dowodu podważającego istnienie eteru. Rozumowali tak: jeśli eter wypełnia pustkę wokół nas, wówczas ruch Ziemi sprawi, że światło wyemitowane w kierunku zgodnym z jej przemieszczaniem będzie miało inną prędkość niż płynące pod prąd. Tak jak w przypadku piłki ciśniętej z jadącego pociągu. Prędkość rzuconej do przodu jest sumą prędkości piłki i pociągu; rzuconej do tyłu – prędkością piłki pomniejszoną o prędkość pociągu. Czy światło zachowa się tak samo?

By na to odpowiedzieć, A. Michelson wymyślił interferometr, wtedy najdokładniejszy przyrząd. Eteru jednak nie wykazał. Prędkość światła okazała się niezależna od ruchu Ziemi.

Interferometr skonstruowany przez Alberta Michelsona.

Ten „nieudany" eksperyment zupełnie odmienił naukę i koniec końców doprowadził do odkrycia szczególnej teorii względności.

W 150 r. n.e. Klaudiusz Ptolemeusz, aleksandryjski astronom i matematyk, sformułował ostateczne postrzeganie Wszechświata przez starożytnych Greków. Jak większość ich naukowej wiedzy i jego poglądy okrężnymi drogami trafiały do programów nauczania uniwersytetów średniowiecznej Europy. Najpierw zostały przetłumaczone na arabski w bagdadzkim Domu Mądrości. Stamtąd, wraz z krzyżowcami, trafiły do Hiszpanii i zostały przełożone na łacinę, w której wykładano na ówczesnych uczelniach. Znaczenie i oddziaływanie dzieła Ptolemeusza oddaje obowiązujący do dziś tytuł, jaki nadali mu Arabowie: Almagest („największe").

Harmonia Macrocosmica (1660), atlas nieba z okresu złotej ery holenderskiej kartografii, ilustruje Ptolemejski Wszechświat: układ planetarnych orbit opasujących Ziemię.

Wiele się działo w Ptolemejskim modelu geocentrycznym. Planety wraz z kryształowymi sferami się przemieszczały, a ruch każdej odbywał się po właściwym dla niej deferencie i epicyklu. Kalkulacje prędkości obrotów Ptolemeusz oparł na wcześniejszych wielowiekowych obserwacjach astronomów babilońskich i greckich. Potrafił przewidywać zaćmienia i inne zjawiska niebieskie. Wszystko funkcjonowało. Nic dziwnego, że musiało minąć niemal 1500 lat, zanim system geocentryczny znalazł się w poważnych opałach.

Według Greka po niebie krążyło siedmioro wędrowców: Merkury, Wenus, Mars, Jowisz, Saturn, Słońce i Księżyc. Słowo „planeta" pochodzi od greckiego „wędruję". Ponieważ Ziemia nie pokazywała się na niebie, nie przysługiwało jej miano planety. W Ptolemejskim schemacie nie tylko nie krąży ona po kryształowej sferze, ale w istocie nie porusza się zupełnie.

Dla starożytnych Greków Ziemia była nieruchomym centrum Kosmosu, siedzibą wszelkich form życia. Pamiętajmy, że według Arystotelesa spadająca butelka burbona zdążała do tego właśnie statycznego centrum. W ich świecie nie było miejsca na to, co nazywamy życiem pozaziemskim. Jakakolwiek egzystencja poza Ziemią, czyli coś nazywanego dzisiaj egzoplanetami, wymagałaby innej „Ziemi" otoczonej własnymi kryształowymi sferami – całego kolejnego Kosmosu. Gdyby taki twór istniał – przekonywali starożytni – w jaki sposób przedmiot, na przykład spadająca butelka, decydowałby o wyborze środka? Oczywiste, argumentowali, że może być tylko jedno centrum (środek), jedna Ziemia i jeden Kosmos.

Wschodząca Ziemia na historycznej fotografii z 24 grudnia 1968, wykonanej podczas misji Apollo 8 – pierwszego załogowego lotu na Księżyc. Współczesne obserwacje z Kosmosu potwierdzają osiągnięcia naukowe z minionych wieków.

■ASTRONOMIA DOBY GNOMONU

Nie wiemy, czego się nauczyłeś w trzeciej klasie szkoły podstawowej, ale przyjmij do wiadomości, że ktoś, kto w XV w. pobierał jakieś nauki, nie wierzył, że Ziemia jest płaska ani że Kolumb z niej spadnie, gdy pożegluje za daleko.

Stosowny fragment w Almagescie zamieścił też Ptolemeusz: „Także Ziemia, traktowana jako całość, jest dostrzegalnie sferyczna". Astronom odnotował między innymi, że zaćmienie Słońca w różnych miejscach Śródziemnomorza obserwuje się w rozmaitych porach dnia. Gdyby Ziemia była płaska, zjawisko wszędzie notowano by o tej samej porze. Cień Ziemi na tarczy Księżyca podczas jego zaćmienia zawsze ma kolisty kształt. Okazuje się, że jedyną bryłą we Wszechświecie, która rzuca kolisty cień bez względu na kąt padania promieni słonecznych, jest kula. Ptolemeusz podał powód „tonięcia" statku oddalającego się od wybrzeża – pod widnokresem stopniowo znika kadłub, znacznie dłużej widać maszty. Powodem jest krzywizna Ziemi.

DODAWANIE EPICYKLI

Co się dzieje, gdy Merkury krąży w przeciwnym kierunku? Nic. Wbrew temu, co można usłyszeć od astrologów. Planeta bowiem wcale nie zmieniła kierunku. To złudzenie wynikające z jej ruchu po orbicie względem Ziemi. Pasażerowi w pociągu czasem także się wydaje, że wagony na sąsiednim torze jadą do tyłu. Tymczasem to jego pociąg ruszył przed siebie.

W czasach Ptolemeusza ten widoczny wsteczny ruch planet wymagał sensownego wyjaśnienia dla modelu z Ziemią w centrum Wszechświata. W tym celu starożytni dodali małą sferę, zwaną epicyklem, która wraz z unoszoną na niej planetą krążyła po deferencie – okręgu, po którym wędrował środek epicyklu. Układ heliocentryczny wszystko uprościł, godząc się na wsteczny ruch planet i wiele innych zjawisk zauważanych na niebie.

Epicykle w obrębie epicykli: jeszcze bardziej skomplikowana wersja układu geocentrycznego.

Powyższe dowody można współcześnie wzbogacić o Rose Bowl – finał akademickiej ligi futbolu amerykańskiego. Mieszkańcy Wschodniego Wybrzeża USA widzą na ekranach kalifornijski stadion skąpany w promieniach późnopopołudniowego słońca, podczas gdy za oknami ich mieszkań panuje ciemność. Gdyby Ziemia była płaska, zmrok zapadałby wszędzie o tej samej porze. Zatem starożytni mieli, a dzisiaj kibice futbolu amerykańskiego mają solidne dowody na kulistość Ziemi.

Kilka wieków przed Ptolemeuszem Eratostenes z Cyreny, filozof, astronom i matematyk, nie tylko uznał kulistość Ziemi, ale także wpadł na sprytny sposób zmierzenia jej obwodu. A było to dobrze ponad tysiąc lat przed wynalezieniem teleskopu, na długo zanim powstały pierwsze instrumenty astronomiczne. Jego pomiar jest świetnym przykładem wykorzystania gnomonu – najprostszego przyrządu astronomicznego.

W dawnych czasach niewykształcony obserwator postrzegał nocne niebo jak dziś widz w planetarium – było powierzchnią upstrzoną lśniącymi punktami. Gwiazdy i planety znajdowały się na niebie, nie w przestrzeni.

KRÓLEWSKI OSĄD

Alfons X Mądry, władca Kastylii i Leonu, zaznajamiany z ptolemejskim modelem Układu Słonecznego rzekomo wtrącił: „Gdybym był obecny przy Stworzeniu, udzieliłbym kilku użytecznych wskazówek lepiej urządzających Wszechświat".

Grecki astronom Eratostenes, porównując w dniu letniego przesilenia kąt padania promieni słonecznych w Asuanie (Syene) i Aleksandrii, zmierzył krzywiznę powierzchni Ziemi i zdołał obliczyć obwód globu z godną podziwu dokładnością.

Eratostenes wiedział, że w południe 21 czerwca (przesilenie letnie) mieszkańcy Syene, dzisiejszego Asuanu w Egipcie, będą mieli Słońce dokładnie nad głowami. Tym samym jego promienie sięgną den najgłębszych studni. W tym dniu w samo południe zmierzył długość cienia rzucanego przez kolumnę w położonej dalej na północ Aleksandrii i obliczył kąt, pod jakim padały promienie, przy czym założył, że Słońce jest tak odległe, iż promienie światła w obu miejscach są praktycznie równoległe. Otrzymał wynik 7,2 stopnia, co stanowi 7,2/360, czyli 1/50 część kąta pełnego. Od przewodników karawan wiedział, że odległość między oboma miastami wynosi około 5000 stadionów (to około 800 kilometrów; dokładna długość antycznego stadionu jest nieznana, uśredniony miał około 185 metrów). Obwód Ziemi powinien być więc 50 razy większy, czyli wynosić około 40 000 kilometrów. Uważa się, że Eratostenes podał go w granicach 39 690–46 620 kilometrów.

Nieźle jak na kogoś, kogo jedynym przyrządem astronomicznym był gnomon.

■POMOCNA PARALAKSA

Zrozumienie naszego miejsca we Wszechświecie wymaga odpowiedzi na pytania: jak wielki jest obecnie Kosmos i jak ma się do tego wielkość Ziemi? Wyglądają na łatwe. Na Ziemi wyznaczanie odległości między miejscami lub obiektami zwykle nie stanowi wyzwania. Co innego we Wszechświecie. Tu czai się jeden z najbardziej złożonych problemów współczesnej astrofizyki – drabina odległości kosmicznych. Będziemy do niej wracać jeszcze wielokrotnie.

Zacznijmy od tego, że nasze nocne niebo prezentuje się jako dwuwymiarowy obraz gwiezdnych świateł. Wiemy wszak, że znajdują się w rozmaitej odległości od nas – to znaczy, że sfera niebieska jest trójwymiarowa. Wyzwaniem jest określenie, jak daleko od Ziemi znajdują się źródła tych świateł.

Niestety metody i przyrządy, które sprawdzają się w odniesieniu do bliskich obiektów, zawodzą w przypadku odległych. Trzeba wspiąć się – że tak powiem – na pierwszy szczebel drabiny i uruchomić następny zestaw metod i narzędzi, które pozwolą pójść krok dalej. Kiedy i one zaczną zawodzić, konieczne staje się stanięcie szczebel wyżej i poszukanie nowych sposobów. I tak dalej. W miarę wspinania się po szczeblach wszystkie wcześniejsze niepewności pomiarów będą się powiększały.

Pierwszy szczebel drabiny odległości kosmicznych wymaga sięgnięcia po paralaksę. Można się łatwo przekonać, co to takiego. Niemal na pewno tego doświadczyłeś, nie zdając sobie sprawy z następstw. Zamknij lewe oko, wyciągnij przed siebie rękę i wyceluj wskazujący palec w przedmiot po przeciwnej stronie pomieszczenia. Potem otwórz lewe oko, a zamknij prawe. Okaże się, że palec pozornie zmienił położenie względem tła. Tak się dzieje, ponieważ każde oko widzi koniec palca pod innym kątem. Jeżeli zna się wielkość obu kątów i rozstaw oczu, z prostej zależności geometrycznej można wyznaczyć odległość oczu od czubka palca.

Zastosowanie tego sposobu do nieba wymaga zmierzenia kąta widzenia dalekiego obiektu, powiedzmy planety, z dwóch różnych miejsc na Ziemi. Znajomość obu kątów i dystansu między miejscami obserwacji pozwala wyliczyć odległość od kosmicznego obiektu.

Poznawanie Kosmosu przypomina wchodzenie po drabinie: co nieco daje się dostrzec z pierwszego szczebla, nowe narzędzia i metody pozwalają wejść szczebel wyżej i zajrzeć głębiej w przestrzeń kosmiczną.

POZNAJ PARSEK

Zwykle miarą kątów są stopnie, 360° to kąt pełny, czyli okrąg. Każdy stopień dzieli się na 60 minut kątowych (′), minuta – na 60 sekund kątowych ("). Gwiazda, która ma paralaksę 1", będzie oddalona o 3,26 roku świetlnego od Słońca. Zbitka pierwszych cząstek słów paralaksa i sekunda to parsek – jednostka odległości używana w astrofizyce oraz kosmicznym science fiction, takim jak Star Trek czy Gwiezdne wojny.

Grecki astronom Hipparch skorzystał z tej metody do wyznaczenia odległości od Księżyca. Otrzymał wielkość rzędu 60-krotności promienia Ziemi. To dwa razy za dużo, ale i tak należy go docenić, bo przecież mógł się pomylić 10, 100 bądź 1000 razy albo wcale nie wpaść na pomysł pomiaru. Z wyznaczeniem odległości od Słońca już tak dobrze mu nie poszło – wyliczył, że Ziemia znajduje się bliżej naszej gwiazdy niż Merkury.

Ale co się dzieje, gdy zechcemy zmierzyć dystans dzielący od naprawdę odległych obiektów, np. gwiazd? Doświadczenie z palcem wskazującym pokaże, że im dalej od oczu, tym mniejsze przesunięcie względem tła przy naprzemiennym patrzeniu. Gdybyś miał dostatecznie rozciągliwe ramiona i palec wskazujący umieścił na tle boiska piłkarskiego dostatecznie odległego od twarzy, mruganie oczyma miałoby nieznaczny wpływ na jego przesunięcia. Rozstaw oczu byłby zbyt mały w porównaniu z odległością palca; kąty widzenia raptem maleją i trudno je mierzyć.

Są dwa rozwiązania: (1) Stworzenie instrumentów, takich jak teleskop, lepiej mierzących małe kąty albo (2) zwiększenie rozstawu gałek ocznych.

Pojawiły się teleskopy. W miarę doskonalenia obserwacji paralaksy dochodziło też do zwiększania rozstawu „gałek ocznych", czyli miejsc obserwacji na Ziemi, a potem poza nią, aż na odległość równą średnicy jej orbity. Ustal położenie pobliskiej gwiazdy na tle innych, znacznie dalszych. Odczekaj sześć miesięcy, aż Ziemia dotrze do przeciwległego punktu orbity, i znów ustal położenie gwiazdy. Przesunięcie względem firmamentu jest kosmicznym odpowiednikiem patrzenia raz jednym, raz drugim okiem. Tylko linią bazową nie jest kilkucentymetrowy rozstaw gałek ocznych, lecz średnica ziemskiej orbity. Ale tę też musi ktoś zmierzyć.

■JAK DUŻY JEST UKŁAD SŁONECZNY?

Wszechświat oglądany oczyma średniowiecznych wieśniaków był mały i przytulny. Niebo nad głowami, do gwiazd i planet nie mogło być dalej niż do sąsiedniego kraju. Wszechświat – nawet gdy Kopernik udowodnił, że nie Ziemia, lecz Słońce jest jego centrum – wciąż wydawał się miłym zakątkiem.

Ale wszystko miało się niebawem zmienić. W 1610 r. Galileusz jako pierwszy wycelował lunetę w niebo. Zapoczątkował tym ciąg zdarzeń, które sprawiły, że Wszechświat rozszerzył się do rozmiarów niewyobrażalnych dla starożytnych. Przełomowość lunety polegała na powiększaniu, dzięki któremu pozwalała widzieć dalej. Astronomom umożliwiła dokładniej mierzyć kąty, tym samym wyznaczając niewielkie paralaksy, czyli szacując wielkie odległości.

W 1672 r. nowo powstała Francuska Akademia Nauk zorganizowała wyprawę do Cayenne w Gujanie Francuskiej. Celem był pomiar pozycji Marsa. W tym samym czasie położenie tej planety oceniano w Paryżu. Czas dobrano nieprzypadkowo: Mars i Ziemia znalazły się najbliżej siebie, po tej samej stronie Słońca. Korzystając z paralaksy i znając odległość między dwoma teleskopami, uczeni obliczyli odległość od Marsa. Osiągnięcie pozwoliło po raz pierwszy w dziejach wyznaczyć – przy wykorzystaniu praw Keplera – odległość między Ziemią a Słońcem. Nazwano ją jednostką astronomiczną (au). Od obecnie przyjmowanej wartości różniła się o niespełna 10 procent.

Europejskie Obserwatorium Południowe w Chile do kalibrowania VLT (Bardzo Dużego Teleskopu) wykorzystuje sztuczną gwiazdę wykreowaną promieniem lasera – to współczesny sposób uporania się z turbulencją atmosferyczną.

30 CENTÓW Godzinowa stawka zatrudnionej w Harvardzie Henrietty Leavitt (to dziś równowartość 9 $).

Wszechświat raptem stał się 20 razy większy, a Ziemia zmalała wręcz niewiarygodnie i niewyobrażalnie.

■HENRIETTA LEAVITT I ŚWIECA STANDARDOWA

Dzięki najnowszym teleskopom kosmicznym paralaksa pozwala wyznaczyć odległość od miliarda gwiazd leżących najbliżej. Mnóstwo, ale to zaledwie cząstka tego, co zawiera sfera niebieska. Nawet mniej niż jeden procent wszystkich gwiazd budujących Drogę Mleczną. A jak zmierzyć odległość od najdalszej gwiazdy? Albo od innej galaktyki? Trzeba wspiąć się na kolejny szczebel drabiny odległości.

Na arenie pojawia się Henrietta Leavitt, postać, która wyjątkowo zapisała się w historii astrofizyki. Była córką pastora, nauki pobierała w ówczesnym Society for the Collegiate Instruction of Women (Stowarzyszenie Kształcenia Akademickiego Kobiet), które z czasem przekształciło się Radcliffe College, siostrzaną placówkę Uniwersytetu Harvarda w Cambridge w stanie Massachusetts. Po skończeniu studiów podjęła pracę w harvardzkim obserwatorium.

W tamtych czasach żmudna analiza danych astronomicznych odbywała się za pomocą ołówka i kartki papieru. Zadanie wykonywano w grupach, zwykle kobiet. Mówiono o nich „rachmistrzynie". Analizując rozmaite kategorie gwiazd, H. Leavitt szczególnie skrupulatnie przyglądała się rzadkiemu ich rodzajowi – cefeidom. Nazwę zapożyczono od gwiazdozbioru Cefeusza, gdzie odkryto pierwszy taki obiekt. Zauważyła, że ich jasność naprzemiennie zwiększa się i słabnie w cyklach trwających tygodnie lub miesiące. Określiła czas takich wariacji i skonstatowała, że im dłuższy cykl, tym więcej energii emituje gwiazda, a to znaczy, że jest jaśniejsza.

HARVARDZKIE RACHMISTRZYNIE

W 1885 r. Henrietta Leavitt dołączyła do grupy kobiet zajmujących się żmudnymi pomiarami spektrów gwiazdowych. Wynajął je Edward Pickering, dyrektor harvardzkiego obserwatorium, który podobno życzył sobie, żeby „pracowały, a nie myślały". Choć były świetnie wykształcone, nie mogły obsługiwać teleskopów, płacono im tyle co niewykwalifikowanym pracownikom. Po odkryciu cefeid przez H. Leavitt publikację o tym E. Pickering syg nował własnym nazwiskiem. Odkrywczyni za życia nigdy nie odebrała uznania, na które zasłużyła.

Henrietta Leavitt

Jeśli zna się tempo zmiany emisji energii przez gwiazdę, wówczas tylko na podstawie jej jasności z prostej zależności można wyliczyć odległość, w jakiej się znajduje. Ale najpierw trzeba znaleźć cefeidę dostatecznie bliską, by można dzięki paralaksie wyznaczyć, jak daleko leży. Dopiero wówczas warto stanąć na następnym szczeblu drabiny odległości. Sposób zaproponowany przez H. Leavitt to pierwsze w astrofizyce zastosowanie tzw. świecy standardowej do mierzenia odległości. Przyda się jeszcze, gdy będzie mowa o ciemnej energii i przyspieszającym Wszechświecie.

■GALAKTYKI

Na początku XX w. astronomowie już dość dobrze rozumieli miejsce Ziemi w Galaktyce. Za pomocą świecy standardowej amerykański badacz Harlow Shapley ustalił wielkość Drogi Mlecznej na 100 000 lat świetlnych. Gigantyczna wartość zdumiała wówczas każdego, nie tylko astrofizyków. Rozmiar Wszechświata zwiększał się gwałtownie z każdym nowym pomiarem odległości. Harlow Shapley dowiódł też, że Słońce znajduje się raczej na peryferiach Drogi Mlecznej – w ⅔ długości jej promienia (licząc od jądra). W urażaniu naszego ego fakt ten idzie w zawody z kopernikańską deklaracją, że Ziemia prawdopodobnie wcale nie jest pępkiem Wszechświata.

Ale na tym nie koniec.

Teleskopy z lat 20. XX w. ujawniły rozsiane po całym firmamencie rozmyte kształty czy też plamy. Nazwano je mgławicami. Niektóre najwyraźniej były jarzącymi się bezkształtnymi masami gazów i pyłów. Wszystkie leżały w wygiętym w łuk świetlistym pasmie, który zwiemy Drogą Mleczną.

Podobnie rozmyte obiekty innej kategorii znajdowano we wszystkich kierunkach. Okazały się galaktykami spiralnymi. Przypominały odpustowe wiatraczki rozsiane po firmamencie. Ukośne, ustawione bokiem albo przodem. Ówczesne teleskopy nie rozróżniały w nich pojedynczych gwiazd.

Kalifornijskie obserwatorium na Mount Wilson umożliwiło Edwinowi Hubble'owi udowodnienie istnienia innych galaktyk niż nasza. Teleskop ze zwierciadłem o średnicy 2,5 metra i masie 4,5 tony był wtedy największy na świecie. Wyzwaniem był jego przewóz wyboistym traktem.

500 000 $ Przybliżony koszt 2,5-metrowego teleskopu na Mount Wilson (to dziś około 6 200 000 $).

Jaką miały naturę? Czy – jak twierdził H. Shapley – były tworami należącymi do Drogi Mlecznej, jak wszystko inne na niebie? Odpowiedź twierdząca oznaczałaby, że Galaktyka jest całym Wszechświatem. Czy może są to zupełnie odrębne galaktyki niebywale odległe od naszej, faktycznie „wyspowe wszechświaty" rozsiane w kosmicznej otchłani? Innymi słowy, czy Wszechświat to otoczony pustką jeden masywny zbiór gwiazd, czy też skupisko bezliku galaktyk, takich jak nasza własna?

W latach 20. XX w. powstały warunki do udzielenia odpowiedzi. Filantrop Andrew Carnegie wsparł budowę na Mount Wilson opodal Los Angeles największego teleskopu tamtych czasów. Jednym z jego użytkowników był młody mężczyzna. Nazywał się Edwin Hubble. Zgadłeś: to on użyczył imienia legendarnemu teleskopowi NASA. Dzięki zwierciadłu o średnicy dwóch i pół metra E. Hubble odkrył cefeidy w Wielkiej Mgławicy Andromedy (obecnie wiemy, że to galaktyka spiralna). Wykorzystując metodę świecy standardowej, obliczył, jak są daleko. Ponad dwa miliony lat świetlnych. O wiele za daleko, by można zaliczyć Andromedę do Drogi Mlecznej, mierzącej tylko 100 000 lat świetlnych. Tym odkryciem E. Hubble uświadomił wszystkim ogrom Wszechświata – Droga Mleczna jest tylko jedną z jego wielu galaktyk.

■MILIARDY, MILIARDY

Skoro już umieściliśmy Ziemię w Układzie Słonecznym, a ten na Drodze Mlecznej, pora na ulokowanie Galaktyki w większym Wszechświecie. Być może to kres wysiłków na rzecz poznania miejsca Ziemi w Kosmosie.

Po swoim odkryciu E. Hubble zaczął systematyczne badania galaktyk. Stworzył ich klasyfikację (zwaną również sekwencją Hubble'a) opartą na kształcie. Obejmują od wyzbytych gazu eliptycznych tworów, w których nie rodzą się już gwiazdy, po bogate w gaz, okazałe galaktyki spiralne, takie jak Droga Mleczna, w których gwiazdy się rodzą, żyją i umierają, tam też obficie produkują ciężkie pierwiastki, które są rozpraszane. Większość tych gwiazd przypuszczalnie ma planety. Jeśli do tego dodać te, które przemierzają przestrzeń bez własnych gwiazd, można założyć, że żyjemy w galaktyce z setkami miliardów planet, w tym sprzyjających jakimś formom życia.

Należący do NASA Kosmiczny Teleskop Spitzera pomaga oglądać Drogę Mleczną, o której obecnie wiadomo, że ma dwa główne ramiona: Krzyża i Perseusza. Nasz Układ Słoneczny leży na ostrodze między nimi, co pokazuje ilustracja.

Po zaakceptowaniu pospolitości Drogi Mlecznej pozostaje odkrycie, ile jeszcze galaktyk jest we Wszechświecie i jak są odległe, w czym nie pomogą już metody służące określaniu odległości międzygwiezdnych w Galaktyce. W tych najdalszych nie widzimy poszczególnych gwiazd, więc na nic świeca standardowa. Trzeba wymyślić inny sposób.

Kilka lat zajęło E. Hubble'owi skonstatowanie, że odkrywane przezeń galaktyki spiralne były wyspowymi wszechświatami. Jakby tego było mało, stwierdził też, że oddalają się od siebie. Te położone dalej z większą prędkością niż znajdujące się bliżej. Jeśli Wszechświat w przeszłości był mniejszy niż obecnie, to znaczy, że wszystko miało jakiś początek. Mniejsza o to, w tym miejscu ważniejsze jest, że rozszerzająca się przestrzeń pociąga za sobą słynne kosmologiczne przesunięcie [fal świetlnych] ku czerwieni, dowodzące oddalania się obiektu od obserwatora.

Pomiar przesunięcia ku czerwieni (poczerwienienia) galaktyki – zadanie stosunkowo łatwe – pozwoli na określenie jej odległości od Drogi Mlecznej. To następny szczebel drabiny odległości. Warto nań wejść pod warunkiem, że wcześniej dostrzeże się cefeidy w którejś z najbliższych uciekających galaktyk.

13 772 000 000 Tyle lat prawdopodobnie ma Wszechświat, plus minus 59 milionów.

Pod koniec XX w. astrofizycy, wyposażeni w jeszcze potężniejsze teleskopy, podjęli zakrojone na wielką skalę badanie przesunięcia ku czerwieni. Efektem jest trójwymiarowa mapa rozmieszczenia galaktyk we Wszechświecie. Sloan Digital Sky Survey (SDSS) rozpoczęto w 2000 r. i dotąd przyniosło odkrycie około miliona galaktyk.

Nasze szacunki wskazują, że w widocznym Wszechświecie jest ich 100 miliardów (a być może dwa, trzy razy więcej). To znaczy, że galaktyk jest tyle, ile gwiazd w Drodze Mlecznej. Jeśli każda ma tyle samo gwiazd, co nasza Galaktyka, w zasięgu obecnych metod obserwacyjnych jest ich tryliard (1021).

■OSTATNIE SŁOWO

Przeszliśmy długą drogę od spotkania Isaaca Newtona z Arystotelesem w barze. Ogląd naszej planety, nas samych oraz naszej przyszłości uległ oszałamiającym zmianom. Większość z nich jest konsekwencją powiększania się Kosmosu i pomniejszania miejsca, jakie w nim zajmujemy. Spotyka nas upokorzenie za upokorzeniem.

Autorzy piszący o sukcesywnym odczłowieczaniu jądra stworzenia często przywołują również Karola Darwina, który przekonywał, że w istocie nie tak bardzo różnimy się od pozostałych stworzeń, oraz Zygmunta Freuda, który dowodził, że nasze procesy myślowe wcale nie są tak racjonalne ani logiczne, jak lubimy sądzić.

Naukowe rozbrajanie naszego ego ma też jasną stronę. Jeśli Ziemia nie jest niczym nadzwyczajnym, jeśli istotnie jesteśmy przyrodniczym continuum, to w odkrywanych prawach na naszej planecie i poza nią nie ma nic szczególnego. Zapewne obowiązują wszędzie, uprawniają więc do badania i rozszyfrowywania znanego Wszechświata, a może nawet całej czasoprzestrzeni. To oczywiste. Co złe dla naszego ego, jest dobre dla nauki.

Obraz Ultragłębokiego Pola Hubble'a, najdalszych peryferii Kosmosu, obejmujący 10 000 galaktyk, w tym takie mające 13 miliardów lat. Powstał z 800 ekspozycji (ich łączny czas wyniósł ponad 11 dób) wykonanych w latach 2003–2004 przez Kosmiczny Teleskop Hubble'a.

ROZDZIAŁ 2

SKĄD WIEMY TO, CO WIEMY?

■ OBSERWACJE GOŁYM OKIEM

■ GALILEUSZ I JEGO LUNETA

■ WIDMO ELEKTROMAGNETYCZNE

■ RADIOWY WSZECHŚWIAT

■ OD ASTRONOMII DO ASTROFIZYKI

■ WIEDZA ZNAD ATMOSFERY

■ OTWARCIE NOWYCH OKIEN NA WSZECHŚWIAT

■ DZISIEJSZE OBSERWATORIA

■ NADCHODZĄCE ATRAKCJE

Obserwatorium La Silla w Chile (fotografia z długą ekspozycją).

Grecki astronom Hipparch z Bitynii w II w. p.n.e. sporządził pierwszy katalog gwiazd.

2

Czy kiedykolwiek w bezchmurną noc porzuciłeś nieznośny blask miejskich świateł i zadarłeś głowę? Czy wprawił cię w zachwyt roziskrzony gwiezdny gobelin?

Dawno temu każdej pogodnej nocy widzieli go wszyscy. Nawet w ośrodkach tętniących życiem. Nasi przodkowie na co dzień mieli taką noc, jaką ty dostrzegasz tylko z dala od świateł miasta. Dostojne wędrówki gwiazd i planet były zwyczajną częścią ich życia. Z tego powodu astronomię z wielkim prawdopodobieństwem można uznać za pierwszą dyscyplinę naukową w dziejach ludzkości lub co najmniej za drugą najstarszą profesję na świecie.