Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

Inne odcinki serii:

Cztery zaskoczenia (1): Biologia (systematyka i ewolucja)

Cztery zaskoczenia (3): Chemia

Cztery zaskoczenia (4a): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4b): Fizyka

Cztery zaskoczenia (4c): Fizyka

Pamiętam, że 50 (a nawet 40) lat temu żyłem w jakimś innym Wszechświecie. Były w nim już sztuczne satelity, załogowe loty kosmiczne, sondy wysyłane w kosmos, a nawet lądowania ludzi na Księżycu (których w obecnym Wszechświecie trochę mi brakuje). Sam Wszechświat jednak bardzo się zmienił od tej pory. Pojawiło się w nim mnóstwo rzeczy, które kiedyś tylko przewidywano bez wielkiej nadziei na empiryczną weryfikację albo które w ogóle przekraczały ludzką wyobraźnię

1. Przemeblowany Układ Słoneczny

Układ Słoneczny był dawniej mniejszy (jeśli policzyć krążące w nim obiekty, a także ich odległości od Słońca), za to miał dziewięć planet. W podręcznikach pisano – a uczniowie musieli to zapamiętać – że Jowisz ma 12 księżyców, Saturn 9, Uran 5, a Neptun 2. Było to ważne, bo na kartkówce z astronomii trzeba było udzielić poprawnej odpowiedzi na pytanie o ich liczbę. Interesowałem się astronomią, więc choć nie musiałem wkuwać na kartkówkę, wspomniane liczby nie zmieniały się przez wiele lat i całkiem niepotrzebnie utkwiły mi w pamięci. Kiedy zdawałem maturę, Jowisz miał już 13 księżyców. Obecne liczby oficjalne są nieco wyższe. Jowisz ma 95 potwierdzonych księżyców, z których 57 posiada indywidualne nazwy. Saturn ma 83 księżyce (63 nazwane). Uran ma 27 księżyców, a Neptun 14 (wszystkie nazwane). Nikt nie każe dzieciom przywiązywać się do tych liczb, bo dobrze wiadomo, że jest to wiedza tymczasowa, szybko uzupełniana. Rzeczywista liczba naturalnych satelitów Jowisza lub Saturna wynosi prawdopodobnie około 150 (oczywiście wiele z nich to ciała o średnicy rzędu jednego kilometra, ale nadal się liczą jako księżyce).

Przegląd największych znanych obiektów transneptunowych, w tym planet karłowatych i ich księżyców. Autor: Eurocommuter~commonswiki. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 3.0).

Pluton przestał być najmniejszą planetą Układu Słonecznego, ale awansował do rangi największej planety karłowatej i pierwszego odkrytego obiektu Pasa Kuipera. Na dokładkę okazał się planetą karłowatą podwójną, bo Charon (nieznany pół wieku temu) ma średnicę mniej więcej o połowę mniejszą. Pluton wraz z Charonem mają cztery małe księżyce obiegające oba te ciała w większej odległości. Sam Pas Kuipera istniał jako pojęcie od lat pięćdziesiątych, ale aż do roku 1992 pozostawał hipotezą. Potem nowe odkrycia posypały się jak z worka. Obecnie znamy około czterech tysięcy obiektów transneptunowych (o średnicy od kilkunastu do ok. 2000 km), z których mniej więcej tysiąc ponumerowano na stałe, kilkanaście nazwano, a kilka największych ma status planet karłowatych na równi z Plutonem (i słusznie, bo np. Eris jest tylko minimalnie mniejsza od Plutona, a za to o 27% masywniejsza). Wiele z nich posiada własne księżyce. Jedną z planetoid transneptunowych, Arrokoth, odwiedziła w 2019 sonda New Horizons, która 4 lata wcześniej zbadała z bliska Plutona i Charona.

2. Gdzie spojrzeć, czarne dziury

Jedyną czarną dziurą znaną pół wieku temu był składnik układu podwójnego Cygnus X-1 (do roku 1973 zebrano tyle dowodów pośrednich na jego czarnodziurowość, że ustalił się w tej sprawie konsensus astronomów). Istniała już w pełni rozwinięta teoria czarnych dziur, brakowało tylko dowodów obserwacyjnych na ich istnienie. W latach osiemdziesiątych zdano sobie sprawę, że obiekt zwany Sagittarius A* w centrum Drogi Mlecznej jest supermasywną czarną dziurą (4 mln razy cięższą niż Słońce). Jak dziś wiemy, prawie każda porządna galaktyka ma w centrum taką czarną dziurę, toteż kolejne odkrycia przyspieszyły wykładniczo.

Obraz „cienia” centralnej czarnej dziury (z dyskiem akrecyjnym) w galaktyce M87 (gromada galaktyk w Pannie) uzyskany w 2019 r. za pomocą sieci radioteleskopów Teleskop Horyzontu Zdarzeń. Foto: Event Horizon Telescope Collaboration. Źródło: National Geographic (domena publiczna).

Nie mam pojęcia, ile w sumie czarnych dziur odkryto do tej pory (niewątpliwie bardzo wiele), ale jest jasne, że w Drodze Mlecznej są ich setki milionów, a we Wszechświecie – tryliony. Spośród tych, które szczegółowo opisano, najlżejsze mają masę bliską dolnego limitu teoretycznego dla zapadającej się grawitacyjnie gwiazdy (3 masy Słońca), a najcięższe są kilka miliardów razy masywniejsze od Słońca. Najbliższa znana czarna dziura znajduje się 1560 lat świetlnych od nas, a najdalsze pętają się gdzieś blisko horyzontu obserwacji, w odległości dziesiątków miliardów lat świetlnych. Wszechświat jest obecnie podziurawiony jak ser szwajcarski. Tempo odkrywania czarnych dziur jest całkiem niezłe jak na obiekty, które niejako z definicji są niewidzialne, tyle tylko, że wpływają na swoje otoczenie w sposób zdradzający ich obecność.

3. Egzoplanety na kopy

Byłem kiedyś ciekaw, czy dożyję obserwacji pierwszej planety pozasłonecznej. Nie wyobrażałem sobie jednak, że będą one odkrywane całymi setkami. Większość ludzi (także astronomów) raczej wyobrażała sobie, że pierwsze planety zostaną odkryte gdzieś niedaleko Układu Słonecznego dzięki ulepszeniu teleskopów optycznych. Tymczasem pierwszy obcy układ planetarny odkryty w 1992 r. przez Aleksandra Wolszczana i Dale’a Fraila znajduje się w odległości ok. 2300 lat świetlnych, a do jego obserwacji posłużył radioteleskop w Arecibo. Układ jest bardzo egzotyczny: trzy nieduże planety (jedna dwa razy cięższa od Księżyca, dwie ok. 4 razy cięższe od Ziemi) krążą po ciasnych orbitach wokół pulsara PSR B1257+12 (znanego także jako Lich). Metoda zastosowana przez odkrywców polegała na analizie anomalii w okresowości pulsara, a nie na bezpośredniej obserwacji planet.

Część (mniej więcej 10%) odkrytych dotąd egzoplanet. Oczywiście szczegóły wyglądu, obecność pierścieni itp. to efekty artystyczne niekoniecznie odpowiadające rzeczywistości. Bardziej realistyczne są rozmiary i temperatura. Grafika: Martin Vargic (2015). Żródło: Time (domena publiczna).

Astronomowie, zainspirowani tym odkryciem, szybko rozwinęli inne pomysłowe metody detekcji egzoplanet. Jedną z nich jest analiza przesunięć doplerowskich w widmie promieniowania gwiazdy centralnej potencjalnie posiadającej układ planetarny. Ponieważ nie tylko planety, ale i sama gwiazda krąży wokół środka ciężkości (barycentrum) układu, wpływ grawitacyjny planet widoczny jest jako oscylacje jej położenia, powodujące wykrywalne przesunięcia linii widmowych. Ta bardzo skuteczna metoda faworyzuje detekcję planet masywnych, zwykle gazowych olbrzymów, krążących bardzo blisko gwiazdy centralnej. Stąd nadreprezentacja tych tzw. gorących jowiszów zwłaszcza we wczesnym okresie odkrywania egzoplanet.

Obecnie znamy ponad pięć tysięcy potwierdzonych egzoplanet w prawie czterech tysiącach układów. Powiem szczerze, że o czymś takim nawet nie śniłem. Zdumiewająca jest także różnorodność typów planet i układów planetarnych. Kiedyś wyobrażano sobie, że te ostatnie będą na ogół podobne do Układu Słonecznego, jeśli chodzi o odległości planet od gwiazdy centralnej i rozkład ich rozmiarów. Nic bardziej mylnego. Odkryto wiele planet o parametrach dość podobnych do Ziemi i innych swojskich globów, ale także wiele takich, które reprezentują typy zupełnie niespotykane w Układzie Słonecznym. Gwiazdy często tworzą układy podwójne lub wielokrotne, a te mogą posiadać planety w rozmaitych konfiguracjach orbitalnych. Istnieją także „błędne planety” wyrzucone z macierzystych układów i przemierzające samotnie Galaktykę. W 2020 r. odkryto pierwszą planetę w innej galaktyce, w odległości ponad 30 mln lat świetlnych. Kilkadziesiąt planet już zaobserwowano wprost, czyli metodą obrazowania bezpośredniego.

Autorzy powieści science-fiction często zakładali (dla dobra fabuły), że właściwie każda gwiazda ma jakieś planety. Byli bliżsi prawdy niż naukowcy przyjmujący optymistycznie „na intuicję”, że jakieś 20% gwiazd  może je posiadać. Wedug obecnych oszacowań w samej Drodze Mlecznej istnieje co najmniej ok. 100 miliardów planet. I nie jest to wróżenie z fusów, jak przed pięćdziesięciu laty, tylko wiarygodny wniosek z obserwacji. Oczywiście chcielibyśmy wiedzieć na przykład, na ilu z nich może istnieć życie. Tego jeszcze nie wiemy, ale zapewne się dowiemy.

4. Astronomia grawitacyjna

O istnieniu fal grawitacyjnych wnioskowano od roku 1916 na podstawie przewidywań ogólnej teorii względności. Co prawda w 1936 r. sam Albert Einstein, w artykule napisanym wraz z Nathanem Rosenem, dowiódł, że fale grawitacyjne jednak nie istnieją. Redakcja czasopisma Physical Review zwróciła rękopis autorom z krytycznymi uwagami anonimowego recenzenta (jak dziś wiadomo, był to Howard Robertson). Einstein, nienawykły do systemu peer review, zapałał gniewem i wycofał artykuł, obrażając się dozgonnie na redakcję. Tymczasem okazało się, że to recenzent miał rację: rozumowanie od samego początku obciążone było błędem. Na szczęście zatem fale grawitacyjnie istnieją. W 1974 roku (poszedłem wówczas do liceum) ich istnienie potwierdzono pośrednio dzięki pomiarom zacieśniania się orbity podwójnego układu pulsara Hulse’a–Taylora (za co obaj odkrywcy dostali po dziewiętnastu latach nagrodę Nobla). Orbita – i tak skrajnie ciasna – staje się jeszcze ciaśniejsza zgodnie z przewidywaniami ogólnej teorii względności, ponieważ układ potężnych mas potężnie przyspieszanych emituje w postaci fal grawitacyjnych taką ilość energii, że ma to mierzalny wpływ na ruch jego składników.

Europejski detektor fal grawitacyjnych Virgo (Santo Stefano a Macerata, Włochy). Widoczny jest budynek centralny i fragmenty dwóch prostopadle rozmieszczonych ramion interferometru laserowego (każde o długości 3 km). Źródło: EGO & the Virgo Ciollaboration (domena publiczna).

Przyjemniej byłoby zaobserwować fale grawitacyjne wprost, ale jest to zadanie niełatwe, wymagające zastosowania aparatury o wręcz niewiarygodnej czułości pomiarowej. Pierwsze detektory fal grawitacyjnych typu, który w końcu okazał się skuteczny, zbudowano ponad 20 lat temu, ale przez długi czas obserwacje nie przynosiły żadnych wyników. Badacze nie poddawali się jednak i stopniowo udoskonalali układy pomiarowe. Wreszcie w roku 2015, tuż po kolejnych usprawnieniach, dwa amerykańskie detektory LIGO (w stanie Waszyngton i w Luizjanie) zarejestrowały identyczne drganie czasoprzestrzeni. Było to echo połączenia się w odległości prawie półtora miliarda lat świetlnych dwóch czarnych dziur o masach rzędu 30–35 mas Słońca, tworzących wcześniej układ podwójny. W chwili ich łączenia się energia równa potrójnej masie Słońca pomnożonej przez c² została gwałtownie wypromieniowana w postaci fal grawitacyjnych – niewidzialnych, ale ujawniających się jako deformacje czasoprzestrzeni uchwytne za pomocą superczułych interferometrów laserowych nawet w kosmologicznej skali odległości. Główni autorzy odkrycia nie czekali długo na Nobla – dostali go już w 2017 r.

Za pierwszym sukcesem poszły kolejne, a rok po pierwszej detekcji do obu LIGO dołączyła udoskonalona wersja europejskiego detektora Virgo. W 2017 r. po raz pierwszy trzy obserwatoria niezależnie uchwyciły ten sam sygnał grawitacyjny. Obecnie – po ośmiu latach – liczba obserwacji fal grawitacyjnych zbliża się do setki. Do współpracy włącza się już kolejny detektor, japoński KAGRA. Coś, co zaczęło się jako próba detekcji, rozwija się w nową metodę obserwacyjną dostarczającą informacji o odległych kosmicznych kataklizmach niedających się badać innymi sposobami.

Prawdę mówiąc, podoba mi się ten nowy Wszechświat.

12 thoughts on “Cztery zaskoczenia (2): Astronomia

  1. Jeszcze żeby się udało wdrożyć praktycznie te odkrycia, zwłaszcza dotyczące egzoplanet – w sensie żeby tam wysłać jakieś arki, bo jako gatunek możemy mieć problem. Bardzo egoistycznie chciałbym, żeby jednak jakaś część ludzkości przetrwała (i zmądrzała przy okazji).

    1
    • Jeśli nie poradzimy sobie na Ziemi, to po cholerę przenosić nasze problemy na inne planety? Żeby tam też wszystko zdewastować? Nie martwiłbym się szczególnie tym, co będzie za kilkaset milionów lat, bo żaden gatunek nie istnieje tak długo. Przy obecnym stanie wiedzy na loty międzygwiezdne trudno liczyć, choć w nauce i technice lepiej nie wyrokować, co jest możliwe, a co nie, żeby potem nie wyjść na zarozumiałego durnia jak np. Auguste Comte, który w 1835 r. stwierdził kategorycznie, że choć możemy wiele dowiedzieć się o gwiazdach, nigdy nie poznamy ich składu chemicznego ani nawet temperatury (a powinien był przeczytać publikacje Fraunhofera, który już wcześniej zaczął badać widma gwiazd).

      3
  2. Świetny tekst, jasno, prosto i rzeczowo. Mam dokładnie te same odczucia co Autor ale może dlatego, że jesteśmy równolatkami [prawie]?

    1
    • Jestem rocznik 1960, między pierwszym sztucznym satelitą a pierwszym człowiekiem w kosmosie.

      3
      • Ja urodziłem się w 1956, a więc cała era kosmiczna była za mojego życia. Owszem, Sputnika nie pamiętam, Gagarina śladowo, ale resztę całkiem dobrze. Do dziś pamiętam, jak Tata obudził w nocy mnie (wtedy 13 lat) i brata (wtedy miał 9) i oglądaliśmy wyjście Armstronga na Księżyc. Powiedział wtedy – zapamiętajcie, będziecie opowiadać dzieciom i wnukom, bo dziś dzieje się historia.
        Wtedy to było dla nas abstrakcją. Dziś już niekoniecznie.

        1
        • Też oglądałem i pamiętam całe wyjście. A bynajmniej nie wszędzie w Układzie Warszawskim pokazywali te zberezieństwa transmitowane z USA!

          2
        • Oj oglądałem, i nie mogłem się doczekać kiedy w końcu zejdzie z drabinki. Jak wtedy widzę telewizor Zefir z migającym ekranem.

  3. Byłem wtedy w Łebie na wakacjach. Mieszkaliśmy u gospodarza, który oglądając transmisję powiedział: “Panie, oni do końca życia nie będą musieli nic robić”.

    2

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *