Ryc. 1. Diagram Hertzsprunga–Russella wielkości i widma gwiazd. W prawym dolnym rogu brązowe karły. Licencja CC BY-SA 2.5. Richard Powell.
Są gwiazdy i są planety. Znamy gwiazdy karłowate oraz gwiazdy-olbrzymy. Rozpiętość wielkości planet też jest ogromna. Nie każdy obiekt niebędący gwiazdą można automatycznie nazwać planetą. Nie może być za mały ani za duży. Z jednej strony ograniczeniem jest nieprecyzyjna definicja planetoid i planet karłowatych, z drugiej zaś… Istnieją gazowe olbrzymy wielkości naszego Jowisza, który jest jeszcze planetą, ale gwiazdą już nie jest. Dlaczego? Bo nie świeci własnym światłem? Ale przecież Lucas Bergowsky już tłumaczył w tekście Rozgrzany do czerwoności!, że każde ciało materialne świeci, emituje promieniowanie elektromagnetyczne, w tym światło podczerwone.
Jowisz jest planetą, gdyż nie zachodzą w nim reakcje termojądrowe. Mamy więc gotową definicję, kiedy „kończą się” planety. Ale kiedy zaczynają się gwiazdy? Reakcji jądrowych jest wiele. W prawdziwej, “rasowej” gwieździe zachodzi reakcja syntezy wodoru w hel, a przynajmniej od tej reakcji zaczyna się „życie” gwiazdy, gdyż zachodzą w niej także inne reakcje syntezy jąder cięższych pierwiastków, tzw. „metali” (które wcale metalami być nie muszą). Powyższy wywód sugeruje, że każdy duży obiekt kosmiczny jest albo planetą albo gwiazdą, a ostrym i wyraźnym rozróżnieniem jest istnienie albo nieistnienie reakcji syntezy jądrowej. Niestety tak nie jest! Jak to w życiu: jest czekolada, jest nie-czekolada i są wyroby czekoladopodobne. Są też obiekty gwiazdopodobne. To tak zwane brązowe karły.
Ryc. 2. Brązowe karły Teide 1 , Gliese 229 B i WISE 1828+2650 w porównaniu do czerwonego karła Gliese 229A , Jowisza i Słońca. Licencja CC BY 3.0, MPIA/V. Joergens – Pierwsze wydanie w „Joergens, Viki, 50 Years of Brown Dwarfs – From Prediction to Discovery to Forefront of Research, Astrophysics and Space Science Library 401, Springer
Co to takiego?
Słońce jest typową, przeciętną gwiazdą, jego masa jest około 1000 razy większa od masy planety-olbrzyma, czyli Jowisza. Taka różnica wielkości sugeruje istnienie obiektów o masach pośrednich rzędu kilkudziesięciu mas Jowisza, czyli kilku procent masy Słońca. Nazywamy je brązowymi karłami. Są zbyt małe, aby mogła w nich zachodzić reakcja przemiany wodoru w hel, ale wystarczająco masywne, by zachodziła reakcja syntezy jąder deuteru:
p + p → D + e+ + νe
gdzie: p to proton (jądro wodoru), D to deuter (izotop wodoru z jednym protonem i jednym neutronem), e+ to pozyton (antycząstka elektronu), νe to neutrino elektronowe.
Reakcja ta zachodzi tylko przez kilka pierwszych milionów lat istnienia brązowego karła, mają wtedy typ widmowy L (temperatura 1400-2200 K) i słabo świecą na czerwono, pomarańczowo lub brązowo. Przez pozostały czas tylko stygną i stygną, stopniowo obniżając typ widmowy do T i kończąc na Y. Dlatego są tak trudno wykrywalne, także ze względu na niewielką masę.
Początkowo (lata 60.) nazywano je czarnymi karłami, ale „zbrązowiały” po tym, jak zaczęto je mylić z całkowicie wystygłymi białymi karłami. Aby jeszcze bardziej zamącić w głowach PT Czytelników wspomnę, że istnieją czerwone karły, a brązowe po całkowitym ostygnięciu także stają się „czarne”.
Jak je badać i co odróżnia brązowe karły od „prawdziwych” gwiazd?
Podstawowym kryterium uznania obiektu kosmicznego za brązowego karła jest obecność pierwiastka litu 7Li. W „normalnych” gwiazdach lit występuje przez krótki czas gdyż szybko przekształca się w hel 4He w reakcji z jądrami wodoru.
Drugim charakterystycznym wyróżnikiem brązowego karła jest dużo większy udział promieniowania podczerwonego w emitowanym widmie. Nic dziwnego, jego temperatura i czerwonawa barwa widmowa jednoznacznie determinuje rozkład częstotliwości promieniowania w okolicach podczerwieni.
Trzecim wyróżnikiem brązowych karłów są obserwowalne ilości metanu, bo (nie wiem, czy wspominałem) mogą one mieć one coś w rodzaju atmosfery. Zimniejsze, już ostygłe obiekty mogą gromadzić w atmosferze metan, który jest wykrywalny metodą spektrografii. Atmosfera brązowych karłów jest w ogóle dość egzotyczna. Dość powiedzieć, że unoszą się w niej chmury krzemionki i padają żelazne deszcze.
Odkrycia
Pierwszego brązowego karła odkryto w 1995 roku, ale wcześniej, w latach osiemdziesiątych XX wieku, istniały takie podejrzenia wobec kilku niesklasyfikowanych jeszcze obiektów. Trudności w obserwacji spowodowały, że wiedza o brązowych karłach była (i dalej jest) wątła i pełna niepotwierdzonych hipotez. Szacowano na przykład, że ich liczebność we Wszechświecie dwukrotnie przekracza liczbę gwiazd. Dopiero teleskop kosmiczny WISE skorygował te szacunki do ⅙, czyli na każde sześć gwiazd przypada jeden brązowy karzeł.
Pozostając przy hipotezach, pierwszy brązowy karzeł nazwany Gliese 229 B jest prawdopodobnie układem podwójnym. Tak przynajmniej wynika z ostatnich obserwacji W. M. Keck Observatory na Hawajach i Very Large Telescope w Chile.
Wcześniej nazwałem brązowe karły obiektami gwiazdopodobnymi. Niestety, jest to nieco nieprecyzyjne określenie. Po wypaleniu się, które następuje dość szybko, obiekty te zaczynają stygnąć. Proces szybko postępuje, a w wielu z nich synteza termojądrowa zatrzymuje się całkowicie. Wspomniany wcześniej Gliese 229 B jest wielkości Jowisza (widać to na Ryc. 2), może więc być uznany po wypaleniu się za planetę o większej (80x) niż zwykle gęstości. Tak więc z obiektu gwiazdopodobnego staje się obiektem planetopodobnym. Brązowe karły mogą być też omyłkowo uznane za planety. Nie po raz pierwszy zdarza się więc, że klasyfikacja naukowa, zwłasza ta uświęcona tradycją, musi zostać zrewidowana. Przekonaliśmy się o tym dobitnie na przykładzie systematyki zwierząt (i roślin), kiedy to klasyczna systematyka linneuszowska, oparta na podobieństwie, musiała się poddać w konfrontacji z badaniami genetycznymi, a zewnętrzne podobieństwo nagle przestało się przekładać na bliskie pokrewieństwo ewolucyjne.
To dobrze, że nauka jest żywym organizmem, nieskostniałym. Powyższe przykłady dowodzą, że jest de facto procesem doskonalenia się przez nieustanne wątpienie i kwestionowanie istniejącego stanu, nie ma w niej świętości i dogmatów ani autorytetów. Taką świętością wydawała się klasyczna mechanika newtonowska no i proszę, co się z nią stało. Minęło 200 lat i została zdegradowania do roli przybliżenia, szczególnego przypadku mechaniki relatywistycznej w warunkach „ciepłej wody w kranie”. A wydawała się nie do ruszenia. Podobnie dzieje się z odkrywaniem elementarnej struktury materii oraz w kosmologii.
Każda epoka ma swego idola, Każdej epoce przyświeca jakaś gwiazda Nasza epoka też ma komu śpiewać „Sto lat!” No bo jak każda, to każda W naszej epoce króluje jedna postać Jedna jedyna, jak samotny pień akacji W naszej epoce przecież każdy chciałby zostać Kolegą Kierownikiem Redakcji!
W każdej epoce istniała wizja Świata jako całości, adekwatna do ambicji i możliwości uczonych. W staroindyjskich Wedach, a właściwie w dziełach okołowedyjskich, przekazujących wiedzę w postaci skondensowanej (1. tysiąclecie p.n.e.) opisywano filozoficzny i fizyczny model Wszechświata stworzonego przez Mahawisznu, w którym Brahma tworzy Brahmandę, „kosmiczne jajo”, cyklicznie ewoluujące, bardzo w sumie podobnie do współczesnych teorii kosmologicznych. W Dziesiątym Hymnie Rygwedy możemy przeczytać (usłyszeć): „Na początku nie było bytu ani niebytu […] To Jedno oddychało, własną mocą, bez powietrza. Nic prócz Niego nie było. […] Wcześniej zrodziło się w Nim pragnienie„.
Interpretacja wiedzy wywodzącej się z ksiąg wedyjskich (weda = wiedza), przy pewnym wysiłku umysłowym może prowadzić do zaawansowanych koncepcji kosmologicznych lansowanych obecnie: wieloświata, wszechświatów bąbelkowych, dziesięciu wymiarów przestrzeni, strun, ekspansji Wszechświata itp. Oczywiście jest to interpretacja ukierunkowana i tendencyjna, ale świadczy o nieograniczonej wyobraźni filozofów i otwartości samej filozofii. Taka jest moc umysłów nieskrępowanych okowami religii.
Ryc. 1. Jajo orfickie. W tradycji orfickiej jajo kosmiczne, z którego narodziło się pierwotne hermafrodytyczne bóstwo Fanes-Protogonos utożsamiane niekiedy z Zeusem bądź Erosem. Licencja: Public Domain, Wikipedia
Filozofia grecka
Zacznijmy od Greków. Pierwsze wizje Wszechświata pochodzą od filozofów przedsokratejskich (sofistów), którzy skupiali się na filozofii przyrody, jej strukturze i budowie. Tales z Miletu, Heraklit, Anaksymander i Anaksymenes ze szkoły milezyjskiej poszukiwali odpowiedzi na pytanie o pratworzywo świata, nazywane przez nich arché, czyli praźródło wszystkich bytów tworzące physis, czyli świat. Każdy z nich upatrywał praźródło w czym innym: Tales w wodzie, Anaksymander w bezkresie (apeiron), Anaksymenes w powietrzu, a Heraklit z Efezu – w ogniu. Oczywiście nie brakowało filozofów o odmiennych poglądach, każda przecież filozofia powinna być oryginalna. Pluraliści łączyli więcej niż jedno źródło jako mityczne pratworzywo, wprowadzono pojęcie przemiany jednej substancji w drugą oraz łączenie substancji, w wyniku którego powstawały substancje pochodne, inne jakościowo od użytych składników. Znana jest przełomowa wizja żywiołów Empedoklesa, definiująca cztery podstawowe elementy (żywioły): wodę, ogień, powietrze i ziemię, syntetyzująca przemyślenia Talesa, Anaksymenesa, Heraklita i Ksenofanesa. Z żywiołów, w wyniku mechanicznego mieszania i łączenia mogły powstawać różnorodne byty znanego nam świata rzeczywistego.
Matematyczną strukturę przyrody zaproponował Pitagoras, a jego uczniowie twórczo tę koncepcję rozwijali. Zasługą pitagorejczyków był też rozwój matematyki i astronomii jako odrębnych nauk. W swoich rozważaniach posunęli się do stwierdzenia, że wszystko jest liczbą, a każdemu bytowi można przyporządkować odrębną liczbę, na przykład wagę albo długość. Pogląd ten jest podstawą współczesnej zmatematyzowanej nauki. Pogląd pitagorejczyków na budowę Wszechświata bazował na przeciwieństwach (ograniczone/nieograniczone, parzyste/nieparzyste, męskie/żeńskie) zbudowanych z niepoznawalnego składnika elementarnego. Pogląd ten posiadał cechy religii i prowadził do istnienia jednego Boga. Pitagorejski Wszechświat w pojęciu astronomicznym zawierał w swoim środku ogień, a Ziemia była jedną z wielu gwiazd okrążających ten ogień; był pirocentryczny. Koncepcja kulistości Ziemi, jak również istnienia eteru wypełniającego przestrzeń kosmiczną jest także „wymysłem” pitagorejczyków.
Ryc. 2. Pitagoras – rzeźba w muzeum na Kapitolu. Licencja CC BY-SA 4.0 (Galilea, Wikipedia)
Należy też wspomnieć o eleatach, filozofach z Elei (pamiętacie Zenona?), którzy zajmowali się bytem. Motto eleatów brzmi: „Byt jest, a niebytu nie ma” i brzmi nieco dziecinnie. Nie ma w tym jednak nic śmiesznego, Eleacki byt posiadał ważne atrybuty: wieczność, ciągłość, nieruchomość, niepodzielność i niezmienność, na kanwie których rozwijała się ta ponadczasowa filozofia. Eleaci głosili, że ruch i wielość nie istnieją, a zmienność jest tylko skutkiem doświadczenia zmysłowego, które nas oszukuje. Prawda o bycie może być uzyskana wyłącznie na podstawie dociekań rozumowych. Filozofia ta wydaje się intelektualną zabawą i wynajdywaniem paradoksów, ale z czego był w końcu znany Zenon z Elei? Z paradoksów.
Skoro jesteśmy przy budowie materii, warto wspomnieć o atomistach, To oni stworzyli (oczywiście myślowo) umieszczone w próżni atomy, niepodzielne cegiełki budulcowe materii. Atomy atomistów miały różne właściwości, zależne od kształtu, były różnie uporządkowane i poruszały się z różnymi prędkościami.
Jak widać filozofowie starożytni, w odróżnieniu od wspomnianych myślicieli indyjskich, nie poruszali kwestii, jak długo Wszechświat istnieje, czy się rozwija czy „zwija”. Wszechświat Starożytnych był wieczny.
Filozofia Średniowiecza
W odróżnieniu od wizji starożytnej Wszechświat średniowieczny wieczny nie był. Podstawą takiego poglądu była religia, a właściwie religie o rodowodzie abrahamowym: chrześcijaństwo, islam i judaizm, w których świat został stworzony przez Boga. Na podstawie niemożliwość istnienia aktualnej nieskończoności żydowscy i arabscy filozofowie Saadja ben Josef, Al-Kindi i Al-Ghazali wykazali, że istnienie świata bez początku jest nielogiczne. Pogląd ten został zaakceptowany przez filozofów i teologów chrześcijańskich.
Współczesne poglądy na Wszechświat opierają się na badaniach i modelach kosmologicznych.
Warto też prześledzić ewolucję modeli astronomicznych budowy Wszechświata. Najstarszy z nich – sumeryjski, przedstawiał płaską Ziemię unoszącą się na oceanie. Wizja ta była kontynuowana przez wczesnych filozofów greckich, była prosta, trafiała do wyobraźni i nie wymagała żadnych dowodów empirycznych. Jednak rozwój nauki i czynione obserwacje spowodowały, że model astronomicznych ulegał ewolucji. Eudoksos z Knidos zaproponował, że Wszechświat jest nieskończony w przestrzeni i w czasie, a Ziemia ma kształt kuli i jest umieszczona w jego centrum. Wizja Eudoksosa została przyjęta niemal bez poprawek przez Arystotelesa, a po uściśleniu przez Ptolemeusza obowiązywała przez półtora tysiąclecia jako oficjalna wykładnia nauki na ten temat. Popularność i niewzruszalność teorii geocentrycznej wynikała z dobrej zgodności przewidywań opartych na obliczeniach epicykli z obserwacjami. Dopiero Kopernik … ale o Koperniku może innym razem.
Teorie współczesne
Heliocentryczność teorii Kopernika, jak też wszelka inna -centryczność, to pojęcia umowne, służące jako kolejne przybliżenia rzeczywistego obrazu Wszechświata, w rzeczywistości nie mającego żadnego “centrum” ani “środka”. Współczesne teorie kosmologiczne mają początek w teorii Wielkiego Wybuchu (Big Bang), którego hipotezę jako pierwszy sformułował Aleksandr Friedman. On też stworzył model kosmologiczny Wielkiego Wybuchu. Edwin Hubble i Georges Lemaître opisali rozszerzanie się Wszechświata, a praca Lemaître’a z 1927 roku jest oficjalnie uznawana za początek obowiązywania tej teorii. Fred Hoyle, o którego paradoksie pisałem w Życie w Kosmosie[3]. Wszechświat uszyty na miarę wymyślił nazwę „Wielki Wybuch” i odtąd datuje się nieustanny rozwój tej teorii i jej niezliczonych (przesadziłem) wariantów. Teoria Wielkiego Wybuchu doczekała się potwierdzenia doświadczalnego w postaci reliktowego promieniowania tła.
Warianty Wielkiego Wybuchu
Naturalnie tak wielka teoria nie może nie pączkować sub-teoriami. Nie inaczej jest z Wielkim Wybuchem i wieloma nieskończonościami jej towarzyszącymi; nieskończoności są kuszące dla wyobraźni. Nic dziwnego, teoria jest bramą do Absolutu i każdy chciałby zostać jego odkrywcą.
Część uzupełnień i wariantów tej teorii próbuje podpierać się rzeczywistymi lub prawdopodobnymi obserwacjami. Część jest jednak czystymi spekulacjami lub szczególnymi rozwiązaniami równań Einsteina, jak grawastary, o których napiszę na końcu tego tekstu. Po odfiltrowaniu mało prawdopodobnych rozwiązań wyłania się dość spójny fizycznie obraz początków naszego Wszechświata, którego kluczowym elementem jest faza inflacji, po której następuje klasyczna ekspansja oparta na znanym obecnie zestawie stałych i praw fizycznych oraz cząstek elementarnych. Przed inflacją, a zwłaszcza w pierwszych sekundach (ułamkach sekund) po Wielkim Wybuchu fizyka cząstek i oddziaływań, a nawet geometria przestrzeni mogły być zupełnie inne niż te, na których uprawiamy fizykę klasyczną, a nawet fizykę kwantową.
Istnienie Wielkiej Osobliwości towarzyszącej momentowi powstania Wszechświata oraz naturalne w tych okolicznościach pytanie „co było wcześniej?” stało się zapalnikiem do snucia teorii omijających ten problem lub nieco go „pudrujących”. O spekulatywnym charakterze tych teorii nie muszę mówić, gdyż doświadczalne ich sprawdzenie jest niemożliwe. Mamy więc wszechświat pulsujący (nieskończenie), mamy erę Plancka w momencie osobliwości, gdzie zachodzą nieznane nam zjawiska kwantowo-grawitacyjne, mamy przekształcenie przestrzeni w sensie liczby jej wymiarów, mamy czas będący lub niebędący wymiarem przestrzennym. Wszystkie te teorie są budowane na zasadzie „bierzemy nieznane i podnosimy do kwadratu”, a ich wartość jest prawie zerowa, poza, oczywiście zawsze pożądaną gimnastyką umysłową.
W ostatnim czasie modne stało się modelowanie Wszechświata i zjawisk kosmicznych z użyciem ciemnej energii i ciemnej materii. Pisałem o tych hipotetycznych bytach w Ciemna materia, czyli królowa jest naga, oczywiście w tonacji mocno sceptycznej.
Grawastary
Obiecałem grawastary – będą grawastary, zwłaszcza, że teoria grawastarów została sformułowana przez polskiego fizyka Pawła Mazura i stanowi bardzo pożądane polonikum.
Jedno ze szczególnych rozwiązań równań Einsteina, które stanowią niewyczerpane źródło inspiracji dla fizyków, dopuszcza istnienie dziwnych tworów podobnych do matrioszek umieszczonych jedna w drugiej. Dla przypomnienia, inne rozwiązanie równań Einsteina pozwoliło Karlowi Schwarzschildowi sformułować koncepcję horyzontu zdarzeń i czarnych dziur. O tym tragicznie zmarłym geniuszu pisałem w Splątanie kwantowe, czyli coś, co działa, ale nie wiadomo dlaczego.
Paweł Mazur i Emil Mottola zaproponowali alternatywne rozwiązanie równań Einsteina, zgodnie z którym zamiast czarnych dziur powstają bardzo gęste gwiazdy, które nazwano grawastarami. Przewagą grawastarów nad czarnymi dziurami jest brak niemożliwej do analizy osobliwości oraz horyzontu zdarzeń. Pozostałe parametry fizyczne tych obiektów są takie same jak w czarnych dziurach. Osobliwością grawastarów jest ich forma geometryczna. Są to bowiem sfery w sensie matematycznym (bez „środka”) o grubości dążącej do zera. Budulcem grawastaru jest zwykła materia, a nie zdegenerowana, jak w przypadku czarnych dziur. Inne rozwiązania równań Einsteina prowadzą do jeszcze ciekawszych wyników. Są to nestary, konstrukcje składające się z wielu grawastarów umieszczonych jeden w drugim. Jako żywo matrioszka. Jest jednak jeden problem z grawastarami, nie odkryto dotychczas w kosmosie niczego do nich podobnego, ani pasującego do teorii. Czarne dziury i owszem, nawet mamy ich zdjęcia z efektownymi dżetami. A grawastarów ani widu ani słychu. Ale cóż, mamy czas, poczekamy, „czas jest najprostszą rzeczą”, że zacytuję Clifforda D. Simaka.
Ryc. 3. Obraz obiektu Sagittarius A* w centrum naszej galaktyki – obraz z Teleskopu Horyzontu Zdarzeń. Licencja CC BY 4.0 (Event Horizon Telescope)
Na zakończenie
Każda cywilizacja miała swoją odpowiedź na podstawowe filozoficzne pytanie o porządek wszechświata. Bo wszechświat musi być uporządkowany. Nie bez kozery kosmos [gr. κόσμος (kósmos)] to „porządek, szyk”. Kosmos musi cechować zarówno wszechświat w skali makro jak i mikro. Zadziwia wizjonerstwo starożytnych filozofów indyjskich i greckich. Współczesne teorie nie wnoszą nowych jakości, są zaledwie unowocześnieniem i „unaukowieniem” starych pomysłów. Wspomniane uporządkowanie kosmosu to nieustające próby stworzenia modelu matematycznego Wszechświata, bo matematyka to przecież kwintesencja uporządkowania.
Trochę wazeliny
Jakbyście się nie domyślili, to Kierownikiem Redakcji jest oczywiście Mirek Dworniczak, założyciel bloga Eksperyment Myślowy. To o nim śpiewał co tydzień Jacek Fedorowicz w „Sześćdziesiątce” (Trójka, niedziela, godzina 1000).
Kto jest opoką dla swojej epoki Tego epoka hołubi i przypieszcza Często przymyka oko na wyskoki Z obwiesia robi ob. Wieszcza Kto od epoki opoki dostał etat Ten dla epoki jest czym szelki są dla spodni To najmocniejsza w naszym płocie jest sztacheta Kolega Redakcji Kierownik!
