Żyjący na przełomie XVIII i XIX w. francuski filozof Auguste Comte zajmował się rozmaitymi dziedzinami nauki. Wniósł olbrzymi wkład w zapoczątkowanie pozytywizmu, był także twórcą pojęcia socjologii. Jednak nawet wybitni filozofowie czasami się mylą. W książce „Kurs filozofii pozytywnej” (wydanie 1835) pisał:
„Jeśli chodzi o gwiazdy, to wszelkie badania, które wykraczają poza zwykłe obserwacje, są (…) dla nas siłą rzeczy niedostępne. (…) Nigdy nie będziemy w stanie w żaden sposób poznać ich składu chemicznego. (…) Uważam też, że nigdy nie dowiemy się, jaka faktycznie jest średnia temperatura poszczególnych gwiazd”.
Oj, nie powinno się używać słowa „nigdy”, jeśli mówimy o sprawach naukowych. Już w 1814 r. Joseph von Fraunhofer, połączywszy lunetę z pryzmatem, zaobserwował w widmie Słońca pasma absorpcyjne, które dziś znamy pod nazwą „linii Fraunhofera” (to są te czarne linie w widmie, wynikające z absorpcji przez atmosferę słoneczną promieniowania pochodzącego z jego wnętrza). Można uznać, że był to początek spektroskopii astronomicznej.
Oryginalne widmo zarejestrowane przez von Fraunhofera
Źródło: Wikimedia, licencja: CC BY SA 4.0
Chociaż tak naprawdę zaczęło się od pewnego pożaru.
Pożar w Mannheim
Za ojców spektroskopii astronomicznej uznawani są powszechnie Gustav Kirchhoff oraz Robert Bunsen. Spotkali się oni w połowie XIX w. na uniwersytecie w Heidelbergu. Wykorzystując skonstruowany przez Bunsena palnik oraz ulepszoną w ich laboratorium lunetę z pryzmatem, badali szereg soli, które wprowadzane do płomienia nadawały mu charakterystyczne barwy. Urządzenie to, nazwane spektroskopem, pozwoliło im na odkrycie w lokalnej wodzie mineralnej dwóch nowych pierwiastków – cezu (Cs) i rubidu (Rb). Po pracy w laboratorium lubili wspólnie spacerować po okolicy, wędrując ścieżką zwaną Drogą Filozofów. I właśnie tam, pewnego wieczoru, latem 1859 roku, mieli okazję obserwować olbrzymi pożar, który wybuchł w odległym o 20 km Mannheim. Wpadli na pomysł, aby szybko wrócić do pracowni i obserwować płomienie przy użyciu skonstruowanego wcześniej spektroskopu. Bez problemu stwierdzili zdalnie obecność w widmie m.in. charakterystycznych linii pochodzących od sodu. Po kilku kolejnych dyskusjach Bunsen wpadł na dość ekscentryczny pomysł. Może warto sprawdzić, co się stanie, gdy połączy się ich spektroskop z teleskopem i skieruje na Słońce? Strzał w dziesiątkę! Światło wędruje w przestrzeni kosmicznej na olbrzymie odległości i w zasadzie nic go nie zakłóca.
Metoda obserwacji zdalnej stworzona przez Kirchhoffa i Bunsena zatriumfowała już po kilku latach, gdy francuski astronom Pierre Janssen odkrył w 1868 r. w widmie słonecznym pomarańczową linię, której nie dało się przyporządkować do żadnego ze znanych pierwiastków. Tak odkryto hel. Nauka dostała potężne narzędzie do analizy chemicznej obiektów znajdujących się w kosmosie.
Na początku były jednak problemy z kluczowym elementem, który rozszczepiał światło, czyli z pryzmatem. Mały dawał niezbyt dobre rozszczepienie, a otrzymanie dużego pryzmatu zbudowanego z jednolitego szkła było bardzo trudnym wyzwaniem inżynierskim. Dlatego też sięgnięto po inny znany już od jakiegoś czasu element rozszczepiający światło, a mianowicie siatkę dyfrakcyjną, która znacząco ulepszyła uzyskiwane widma. Ewolucji ulegała też detekcja promieniowania. Pierwotnie było ono rejestrowane na klasycznej płycie fotograficznej, dziś rolę tę pełnią matryce CCD.
Zasada działania siatki dyfrakcyjnej (wynalezionej w 1821 przez Fraunhofera)
Źródło: Wikimedia, licencja: CC BY SA 3.0
Początkowo analizy wykonywano, posługując się wyłącznie przychodzącym z kosmosu światłem widzialnym. Trzeba zdawać sobie sprawę, że stanowi to bardzo istotne ograniczenie – obserwowane widma pozwalają nam tylko na określenie składu pierwiastkowego obiektów wysyłających takie właśnie promieniowanie elektromagnetyczne.
„Najważniejsze jest niewidoczne dla oczu”
Ten klasyczny cytat z „Małego Księcia” idealnie pasuje do idei, które legły u podstaw konstrukcji kolejnych narzędzi do badania Kosmosu. Już w XIX w. naukowcy zdawali sobie sprawę, że światło widzialne jest tylko niewielkim wycinkiem całego zakresu częstotliwości fal elektromagnetycznych. Spektroskopia w zakresie światła widzialnego była bardzo użyteczna, ale wyniki otrzymywane tą metodą były tylko ułamkiem tego, co można odczytać z nieba. Kolejnym wielkim krokiem było stworzenie narzędzia obserwacyjnego, które pozwalało na poszerzenie zakresu rejestrowanego promieniowania. Powstało ono niejako przypadkowo, podczas badania zakłóceń transatlantyckich transmisji radiowych. Inżynier z amerykańskiej firmy Bell Labs, Karl Jansky, na początku lat 30. XX w. skonstruował olbrzymią antenę, przy pomocy której udało mu się zarejestrować dochodzące z Kosmosu niewidzialne gołym okiem promieniowanie wodoru o długości fali 21 cm. Był to moment, który można uznać za początek radioastronomii. Dziś jest to podstawowe narzędzie wykorzystywane do badania tych obiektów, które August Comte uznał za będące na zawsze poza zasięgiem badaczy na Ziemi.
Oryginalna antena Karla Jansky’ego – pierwowzór radioteleskopu
Źródło: Wikimedia, licencja: CC BY SA 3.0
O tym, co można badać i co ciekawego zostało wykryte w kosmicznym tyglu, napiszę w drugiej części.