EM Poleca (#6): Christophe Galfard “Wszechświat w twojej dłoni. Niezwykła podróż przez czas i przestrzeń”

Kto czytał książkę Pan Tompkins w krainie czarów George’a Gamowa ten wie. Popularyzacja nauki to ciężki kawałek chleba, a popularyzacja astrofizyki i teorii kwantów w szczególności. Prawdziwą sztuką jest napisać książkę popularnonaukową dla wszystkich. Udało się to Gamowowi, uczonemu przez duże „U”, udało się Galfardowi – uczniowi samego Stephena Hawkinga. Obaj podjęli się zadania, wydawałoby się, ponad siły. No bo jak wyjaśnić tajemnice Wszechświata, atomu, teorię kwantów czy teorię względności bez używania wzorów? A nie, przepraszam, Galfard użył jednego wzoru: e = mc2, ale można mu to wybaczyć, bo wzór ten dawno już przestał być wzorem, a stał się ikoną popkultury.

Wszechświat…, mimo, że jest książką popularnonaukową – posiada fabułę, podobnie jak Pan Tompkins…. Może to jest klucz do sukcesu? Czyżby wystarczyło tylko dodać akcję i sukces murowany? Nie. Perypetie i przygody młodego marzyciela, którym Ty jesteś, Czytelniku, mają za zadanie zdjęcie czaru hermetyczności z fizyki, nudnej nauki tylko dla wtajemniczonych. Mają nas przekonać, że elektrony, neutrina czy kwarki są możliwe do wyobrażenia. Mało tego, można sobie wyobrazić „zupę kwantową” i cząstki wirtualne, Wielki Wybuch i powierzchnię ostatniego rozproszenia. Wystarczy tylko spowolnić (albo przyspieszyć) czas, nauczyć się w nim poruszać w obie strony, zdjąć z umysłu wszystkie mentalne blokady i voilà! Widzę neutrino! To wielkie osiągnięcie Autora. 

Czymś wyjątkowym jest też udzielanie odpowiedzi na nasze pytania powstające w trakcie czytania tej książki, zanim się one pojawią. Bo przecież czytając i wyobrażając sobie gluony trzymające w ryzach kwarki i to tym mocniej im bardziej kwarki wyrywają się ze swojego więzienia, powstaje pytanie „Jak to się dzieje? Co, jeśli…?”. To świadczy o wyjątkowym talencie dydaktycznym Autora, wczuwaniu się w tok myślenia Czytelnika. Jedyne pytania, na które w książce nie ma odpowiedzi to te, na które rzeczywiście NIE MA ODPOWIEDZI, jeszcze nie ma. Zdrowy niedosyt pozostający po przeczytaniu książki ma być (i jest) impulsem do pogłębiania wiedzy w poszukiwaniu zrozumienia. I o to właśnie chodzi w literaturze popularnonaukowej, ma być solidnym pomostem do pogłębiania wiedzy, studiowania. 

Jeszcze jedno. Galfard nie wymaga od Czytelnika żadnego przygotowania merytorycznego, tłumaczy zjawiska ab ovo, jak Maks Lamii Reno w „Seksmisji”. Jak widać – skutecznie.

I jeszcze podziękowania dla tłumacza – Sławomira Paruszewskiego za perfekcyjne oddanie „muzyki” tej książki, dzięki czemu czyta się ją jak dobrą fantastykę naukową. 

Inne wpisy z serii EM poleca:

Księżyc Zatoką Perską przyszłości? 

We wpisie Janusowe oblicze Księżyca poruszyłem temat „ciemnej” strony Księżyca, jakże innej od tej „jasnej”. Nasza fascynacja Księżycem nie mija. Po zakończeniu cyklu misji Apollo i dziesięcioleciach posuchy w eksploracji tego globu, widzimy powrót zainteresowania Księżycem. Przyczyn jest kilka. Oprócz naturalnej, naukowej ciekawości i poszukiwania odpowiedzi na pytania dotyczące genezy Księżyca, zainteresowano się też aspektem praktycznym, czyli możliwością eksploatacji zasobów helu-3 (3He), stabilnego izotopu helu, mogącego być paliwem w reakcji kontrolowanej syntezy jądrowej. Wprawdzie izotop ten występuje na Ziemi, ale w bardzo niewielkich ilościach, w większości w płaszczu Ziemi (0,1-1 miliona ton). Szacuje się, że źródła gazu ziemnego w Stanach Zjednoczonych mogą łącznie zawierać jedynie pół tony 3He. Dodatkowo kolejne 1200 ton może być zawarte w cząstkach pyłu międzyplanetarnego osadzonego na dnie oceanów. Jednak ekstrakcja helu-3 z tych źródeł zużyłaby więcej energii niż może wyzwolić synteza termojądrowa przeprowadzona z jego wykorzystaniem. 

Hel-3 jest nuklidem pierwotnym, pierwotną materią kosmiczną, z której powstawała Ziemia. Jest produktem reakcji termojądrowych zachodzących w gwiazdach, wyrzucanym w przestrzeń kosmiczną i wchodzącym w skład ośrodków międzygwiazdowych (ISM – Interstellar Medium), o których pisze Mirosław Dworniczak w tekście Organiczne odpadki z fabryki gwiazd – część 2. Jest też wyrzucany ze Słońca w trakcie jego „normalnej pracy”, osiadając na planetach i księżycach Układu Słonecznego. I ten właśnie, zawarty w skałach księżycowych hel-3, budzi tak wielkie zainteresowanie, zwłaszcza ten z ciemnej jego strony, gdzie jest go po prostu więcej. 

Aż chciałoby się powiedzieć z syntezy termojądrowej powstałeś, do syntezy termojądrowej powrócisz. Hel-3 powstaje w wyniku burzliwych przemian we wnętrzach gwiazd i może kończyć swój żywot w podobnej reakcji. Nie bez kozery napisałem „kończyć”, bo w wyniku połączenia jądra deuteru z jądrem helu-3 powstaje coś zupełnie innego: zwykły hel-4 i jeden swobodny proton. I niebagatelna ilość energii, bo 18,3 MeV (z jednego aktu syntezy). Reakcja alternatywna, czyli połączenie dwóch jąder helu-3 daje w efekcie jedno jądro helu-4, dwa protony i 12,86 MeV energii. Dużo? Dużo, bo wyzwolona energia termiczna (foton) jest równoważnikiem różnicy mas nukleonów po obu stronach tego równania. Na Ryc.1 przedstawiona jest schematycznie pierwsza z wymienionych reakcji. 

Dlaczego synteza z wykorzystaniem helu-3 jest tak atrakcyjna? Powód jest prosty – reakcja tego typu jest ekologicznie „czysta”. W odróżnieniu od klasycznej reakcji syntezy deuteru i trytu nie powstają w jej wyniku wysokoenergetyczne neutrony. Neutronów, obojętnych elektrycznie, nie można tak łatwo powstrzymać, a dodatnie protony są podatne na pole elektryczne i magnetyczne. Synteza helowa jest czysta ekologicznie, zarówno jeśli chodzi o substraty jak i produkty reakcji. Warto dodać, że teoretycznie możliwe jest także wykorzystanie energii pędu wyzwolonego protonu poruszającego się w silnym polu magnetycznym. Warto dodać, że ekologiczność tej syntezy to na razie tylko teoretyczne spekulacje ponieważ reakcja D+3He wymaga dużo wyższych temperatur niż reakcja DT (deuter+tryt), a w związku z tym mogą zajść inne reakcje indukujące radioaktywność w otoczeniu reaktora.

Ryc. 1. Reakcja syntezy jądrowej z wykorzystaniem helu-3 i deuteru. Źródło: https://science.howstuffworks.com

Wyścig na Księżyc na dobre rozpoczął się w 2018 roku, kiedy chiński łazik księżycowy Yutu-2 (Jadeitowy Królik) w ramach misji Chang’e-4 rozpoczął badania skał księżycowych po jego „ciemnej” stronie. Następna misja Chang’e-5 wróciła z Księżyca z próbkami regolitu pobranymi z powierzchni Księżyca i 2,5-metrowych odwiertów, między innymi z minerałem Changesite-(Y), zawierającym hel-3. Planowane są już następne misje, coraz bardziej ambitne, o numerach 6, 7 i 8, a zwieńczeniem programu ma być budowa bazy księżycowej. Najbliższa wyprawa Chang’e-6 ma przywieźć na Ziemię skały z niewidocznej strony Księżyca, co ma także duże znaczenie stricte naukowe, gdyż umożliwi wyjaśnienie prawdopodobnych różnic geologicznych (a może selenologicznych?) między jasną i ciemną stroną Księżyca.

Ryc. 2. Lądownik sondy Chang’e-5. Źródło: https://www.national-geographic.pl/artykul/chiny-sonda-change-5-jest-w-drodze-zeby-zebrac-najmlodsze-fragmenty-ksiezyca

Amerykanie też mają plany podboju Księżyca. Program Artemis, którego częścią ma być misja Artemis II, to misja załogowa mająca na celu okrążenie Księżyca i powrót na Ziemię. Jest (będzie) to wydarzenie symboliczne, powrót na Księżyc po kilkudziesięciu latach nieobecności. O misji Artemis II pisała w 2022 roku Tatiana Pandora Saternus we wpisie Powrót na Księżyc: załoga Artemis II. W międzyczasie (styczeń 2024) NASA przesunęła datę startu z listopada 2024 na bliżej nie określony termin, nie wcześniej niż we wrześniu 2025. 

Pierwsza indyjska sonda księżycowa Chandrayaan-1, należąca do Indyjskiej Organizacji Badań Kosmicznych, wystrzelona w październiku 2008 r., miała za zadanie stworzenie pełnej mapy składu chemicznego powierzchni i trójwymiarowej topografii Księżyca. Nieoficjalnie mówi się o mapie powierzchni Księżyca pod kątem minerałów zawierających hel-3. Z powodu problemów technicznych misja (planowana na dwa lata) została przerwana po niecałym roku działalności.

Jak widać Księżyc z roku na rok stał się bardzo interesującym obiektem badań, po raz pierwszy w historii motywowanych bardziej względami gospodarczymi niż czystą naukową ciekawością. 

Hel-3 został po raz pierwszy wyizolowany w 1939 roku przez Luisa Alvareza i Roberta Cornoga. Z początku uważano, że jest radioaktywny, do czasu aż odkryto go w próbkach naturalnego helu pochodzących z atmosfery i głębokich odwiertów. Ciekawostką jest różna klasyfikacja 3He i 4He z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Hel-4 mając dwa protony, dwa neutrony i dwa elektrony ma ogólny spin równy zero, czyli jest bozonem, hel-3 mając o jeden neutron mniej, ma ogólny spin wynoszący 1/2, czyli jest fermionem. Niby ciekawostka, a ma wpływ na temperaturę przejścia w stan nadciekłości, co jest wykorzystywane do uzyskiwania ekstremalnie niskich temperatur. Izotop helu 4He przechodzi w stan nadciekły w temperaturze 2,17 K (około -271oC), 3He staje się nadciekły w temperaturze 2,6 mK, czyli prawie w temperaturze absolutnego zera.

Zastosowanie helu-3 to nie tylko hipotetyczne źródło czystej energii pochodzącej z kontrolowanej reakcji termojądrowej. Izotop ten znajduje już obecnie wiele ciekawych zastosowań. Skąd bierzemy hel-3? Niewielkie jego ilości otrzymuje się z gazu ziemnego, ale większość produkcji (w sumie kilkaset kilogramów) to produkt uboczny przechowywania głowic termojądrowych. Tryt, izotop wodoru o masie atomowej 3, używany w tych głowicach jako paliwo, rozpada się na hel-3 spontanicznie w trakcie przechowywania, a jego obecność zmniejsza moc wybuchową ładunku. Z tego powodu jest wydobywany z głowicy i trafia na rynek. 

Obecne zastosowania helu-3 to:

  • detekcja neutronów,
  • kriogenika, mieszanina helu-4 i helu-3 pozwala uzyskać temperatury rzędu kilku tysięcznych kelwina,
  • poprawienie rozdzielczości obrazowania medycznego MRI, szczególnie w badaniu płuc, gdzie tylko wysoka jakość i rozdzielczość obrazu pozwalają na dokładną diagnostykę,

Renesans zainteresowania Księżycem jest faktem, a misje rozpoznawcze na pewno będą kontynuowane. Badanie skał regolitowych, oprócz korzyści naukowych, przyniesie odpowiedź na wiele pytań ze sfery gospodarczej, dotyczących przede wszystkim zawartości helu-3 i wody w materii księżycowej. Oprócz zagadnień natury naukowej powstaje na naszych oczach nowy obszar działalności człowieka, nieuregulowany prawnie. Nie ma ram prawnych dla prac wydobywczych i eksploatacyjnych, a także dla kwestii własności obiektów kosmicznych. Być może Księżyc uzyska status podobny do statusu Antarktydy. Albo Berlina Zachodniego, podzielonego na strefy wpływów. Podobny, bo co począć z regulacjami dla działalności gospodarczej i nieuchronnymi zniszczeniami natury tego globu? Co powie nauka na zanieczyszczenie i zniszczenia powierzchni Księżyca? Księżyc nie ma atmosfery i każdy ślad przysłowiowej ciężarówki pozostanie tam na wieki wieków. Jest o czym myśleć.

Ile księżyców ma Ziemia?

Ile księżyców ma Ziemia? Jeden, w dodatku pisany przez duże „K”, żeby nie było wątpliwości. No bo co to jest księżyc? Jest to, cytując Wikipedię naturalny satelita, ciało niebieskie pochodzenia naturalnego, obiegające planetę, planetę karłowatą lub planetoidę. Czy ta definicja jest precyzyjna? Wydawałoby się, że tak, ale diabeł, jak zwykle, kryje się w szczegółach. Wystarczy zadać kilka podstępnych pytań, aby nabrać wątpliwości.

Co to znaczy „obiega”? Każdy układ dwóch krążących wokół siebie ciał posiada środek ciężkości, centrum wzajemnego obiegu, a w szczególnym przypadku dwóch ciał o zbliżonych masach trudno mówić, że jedno ciało obiega drugie. Jest to tak zwany układ podwójny. Oba ciała krążą wokół wspólnego środka ciężkości. Nawet tak oczywisty układ jak Ziemia-Księżyc posiada środek masy (barycentrum) w odległości około 4670 km od środka Ziemi. 

Czy księżyc (satelita) musi być sztywną bryłą? Definicja tego nie precyzuje, więc korzystając z zasady domniemania niewinności możemy uznać, że nie musi, może być przecież obiektem pyłowym utrzymującym spójność dzięki swojej własnej mikrograwitacji i szczególnemu położeniu w tzw. stabilnych punktach Lagrange’a. 

Co z nieruchomym względem siebie układem dwóch ciał? Może się zdarzyć, że satelita znajduje się w punkcie Lagrange’a, gdzie siły grawitacyjne dwóch ciał (np. planety i gwiazdy) równoważą się, pozwalając satelicie na pozostanie na stałej pozycji względem tych ciał. 

Czy wielkość ma znaczenie? Definicja milczy. Dlaczego to jest ważne, okaże się w dalszej części tekstu.

Krakowski astronom Kazimierz Kordylewski (1903-1981) dysponował wiedzą o punktach libracyjnych (Lagrange’a). Pisałem o nich w tekście Euclid, czyli kolejny teleskop w punkcie Lagrange’a. Wiedział też o zagęszczeniach materii odkrytych w punktach Lagrange’a L4 i L5 układów Słońce-Jowisz, Słońce-Mars i Słońce-Ziemia. Zadał więc pytanie: czy istnieją takie skupiska masy w układzie Ziemia-Księżyc? Prowadząc obserwacje nieba odkrył lokalne pojaśnienia nieba w miejscu odpowiadającym punktowi L5. Pochodziły one z rozproszenia światła słonecznego na obłokach międzyplanetarnego pyłu. Obserwacje prowadził w obserwatorium meteorologicznym na szczycie Kasprowego Wierchu, gdzie zakłócenia pochodzące od sztucznego światła były najmniejsze. Odkryte w 1961 roku obiekty zostały nazwane pyłowymi Księżycami Kordylewskiego, a astronom został uhonorowany wieloma nagrodami, w tym Brązowym Medalem NASA (1972).

Ryc. 1. Diagram przedstawiający punkty Lagrange’a układu Ziemia-Księżyc. Księżyce Kordylewskiego występują w rejonach punktów L4 i L5. Wikipedia, autor Vulpecula, domena publiczna.

Istnienie Księżyców Kordylewskiego próbowano wielokrotnie potwierdzić, początkowo z miernym skutkiem. Doszło nawet do próby zakwestionowania odkrycia, argumentując to wpływem wiatru słonecznego i oddziaływaniem grawitacyjnym innych planet na stabilność domniemanych obiektów. Dopiero uporczywe obserwacje astronoma-amatora J. W. Simpsona (1964), a później także zawodowych astronomów potwierdziły słuszność obserwacji Kordylewskiego. Między innymi J. R. Roach odkrył obłoki pyłowe w danych orbitalnego obserwatorium Słońca OSO-6. Pośrednim dowodem było też zaobserwowane osłabienie światła gwiazd. Dokonał tego Maciej Winiarski, naukowiec z Uniwersytetu Jagiellońskiego w obserwatorium astronomicznym w Roztokach Górnych. 

Najnowsze badania Księżyców Kordylewskiego wykorzystywały zmianę polaryzacji światła słonecznego przechodzącego przez te obiekty. Zostały one przeprowadzone przez naukowców węgierskich (2018). Przeprowadzono też symulacje, z których wynika pulsowanie i ciągła zmiana kształtu obłoku oraz potwierdzenie, że obłoki są w punktach Lagrange’a stabilne. Zaprzecza to twierdzeniom sceptyków kwestionujących istnienie takich obłoków.

Ryc. 2. Schematyczne przedstawienie pyłowego Księżyca Kordylewskiego w punkcie L5 układu Ziemia – Księżyc w płaszczyźnie orbity Księżyca (19.08.2017, godz. 01:14:15 UT). Skala odległości nie jest zachowana. Źródło: J. Slíz-Balogh, A. Barta, G. Horváth (2018). https://fais.uj.edu.pl/wydzial/ogloszenia/-/journal_content/56_INSTANCE_8AfLQeBmM1sp/41628/141195640

Księżyce Kordylewskiego mają średnicę kątową około 6 stopni i mogą dryfować względem punktów L4 i L5 ok. 10 stopni kątowych. 

Inne niż Księżyc księżyce Ziemi zawsze budziły emocje i były źródłem wielu spekulacji i niepotwierdzonych obserwacji, a także inspiracją dla autorów naukowej fantastyki. Juliusz Verne w powieści Z Ziemi na Księżyc wykorzystał hipotezę (oczywiście obaloną) Frédérica Petita, dyrektora obserwatorium w Tuluzie. Tenże Petit ogłosił w 1846 roku, że odkrył drugi księżyc krążący wokół Ziemi. Sprawa była o tyle poważna, że doniesienie Petita potwierdziło dwóch innych astronomów francuskich, Lebon I Dassier. Petit poszedł więc za ciosem i ogłosił, że nowy księżyc charakteryzuje się orbitą o apogeum 3570 km i perigeum 11,4 km (!). Ale przecież tak niskie perigeum to przecież jeszcze ziemska atmosfera i każdy obiekt dłużej krążący po takiej orbicie po prostu spadłby na Ziemię.

Końcówka XIX wieku obfitowała w doniesienia tego typu (Wattelmah, Stone Wiggins), wiadomo – fin de siècle, dekadentyzm. 

Ryc. 3. Jedna z oryginalnych ilustracji powieści Z Ziemi na Księżyc Juliusza Verne’a; sztych autorstwa Henriego de Montauta z 1865. Licencja: domena publiczna

Skoro już wiemy, że Ziemia posiada tylko jednego satelitę z prawdziwego zdarzenia, należy wspomnieć o tzw. „drugich księżycach”. Co to takiego? Istnieje wiele obiektów w Układzie Słonecznym, tak zwanych obiektów bliskich Ziemi (ang. near-Earth objects, NEO), które znajdują się w rezonansie orbitalnym z Ziemią. Obiekt krążący wokół Słońca znajduje się z Ziemią w rezonansie, kiedy okres obiegu wokółsłonecznego jednego z nich jest niewielką całkowitą wielokrotnością okresu drugiego obiektu. Wtedy następuje cykliczny wpływ tych obiektów na siebie (wymiana pędu) skutkujący wzajemną zmianą orbit. Zdarza się, że po pewnym czasie układ dochodzi do stanu stabilnego. Rezonans orbitalny nie jest zjawiskiem odosobnionym, występuje w naszym Układzie Słonecznym. Przykładem jest rezonans trzech księżyców Jowisza: Ganimedesa, Europy i Io w stosunku 1:2:4 oraz rezonans Plutona z Neptunem. Rezonans między księżycami Saturna jest przyczyną powstania luk w jego pierścieniach. 

Wróćmy jednak na Ziemię. „Drugich” księżyców Ziemi jest wiele, a 469219 Kamo’oalewa, asteroida o średnicy 40-100 metrów odkryta w 2016 roku jest prawdopodobnie najbardziej stabilna. Quasi-satelitą (NEO) Ziemi stała się około 100 lat temu, i prawdopodobnie pozostanie nią jeszcze przez kilka stuleci. 

Nazwa Kamoʻoalewa jest tłumaczeniem na język hawajski określenia „fragment, który oscyluje”, co odnosi się do jego ruchu na niebie widzianym z Ziemi. 

Chińska Narodowa Administracja Kosmiczna planuje wysłać do Kamo’oalewy sondę Zhenghe, która okrąży asteroidę, wyląduje na jej powierzchni, pobierze próbki i przeniesie je na Ziemię w module powrotnym. Następnie sama sonda uda się w stronę komety 133P/Elst-Pizarro.