Co by było, gdyby…(7)

nasze Słońce było inną gwiazdą?

Przywykliśmy do tego, że żyjemy w atmosferze mającego 4,5 miliarda lat żółtego karła, czyli gwiazdy zwanej Słońcem, znajdującej się mniej więcej 150 mln kilometrów od nas, a mimo to powodującej na przykład przykre oparzenia słoneczne, kiedy zapomnimy się posmarować kremem z filtrem. Oczywiście cały czas obserwujemy Słońce z powierzchni naszej planety, polujemy na zaćmienia, a nawet wysłaliśmy w kosmos obserwatorów tej fascynującej, najbliżej nam gwiazdy: Parker Solar Probe, Solar Orbiter, SOHO, ACE, IRIS, WIND, Hinode, Solar Dynamics Observatory i STEREO. Te obserwacje są dla nas niezwykle ważne, bo poprzez badanie naszej gwiazdy możemy zdobywać ogólną wiedzę na temat innych słońc.

Słońce jest gwiazdą średniej wielkości; astronomowie wykryli już gwiazdy nawet 100 razy większe, często występujące w układach binarnych (prawdopodobnie nawet takie układy są częstsze od pojedynczych gwiazd). Dzięki zachodzącym w jego wnętrzu reakcjom termojądrowym temperatura osiąga nawet 15 MILIONÓW stopni Celsjusza, choć sama fotosfera, czyli najwyższa warstwa, ma zaledwie około 5500 stopni.

Klasyfikacja gwiazd

Diagram Hertzprunga-Russella. Źródło: The Hertzsprung Russell Diagram. Licencja: CC BY-SA 2.5

Słońce obecnie znajduje się nadal w tzw. ciągu głównym, co oznacza po prostu, że nadal trwa w jego wnętrzu proces zamiany wodoru w hel. Z czasem zaczną być wytwarzane cięższe pierwiastki, a dodatkowo wodór z warstw zewnętrznych zacznie coraz intensywniej przemieszczać się do jądra, co w końcu spowoduje jeszcze szybsze reakcje, wzrost wytwarzania energii, zwiększenie jasności (głównie poprzez „spuchnięcie”), aż wreszcie Słońce przejdzie w fazę czerwonego olbrzyma (to za jakieś 5 mld lat, nie martwcie się na zapas), a następnie fotosfera sięgnie orbity Ziemi. Z czasem jednak znowu się zapadnie, odrzucając zewnętrzne warstwy, stając się tzw. białym karłem, początkowo niezwykle gorącym, a następnie stopniowo przechodzącym do fazy czarnego karła (zabiera to tyle czasu, że według astrofizyków nie jesteśmy w stanie jeszcze takiej gwiazdy wykryć). Słońce przed przejściem w etap białego karła utworzy tzw. mgławicę planetarną, która, jak kiedyś wyjaśniałam na Twitterze, z planetami nie ma nic wspólnego. Po prostu dawno temu, kiedy teleskopy były niedoskonałe, astronomowie uznali, że widziane przez ich proste szkiełka obiekty przypominają planety: nawet znamienity astronom, Herschel, opisał te mgławice jako „podobne do planety”. Są to jedne z najwspanialszych mgławic, często przybierające fantazyjne kształty.

Mgławica NGC 6302 w gwiazdozbiorze Skorpiona. Źródło: Hubble/ESA/NASA. Domena publiczna.

A ty całuj mnie…

Zanim przejdziemy do rozważań o tym, jak wyglądałoby (i czy by wyglądało) ewentualne życie na Ziemi z inną gwiazdą na nieboskłonie, przyjrzyjmy się harwardzkiej klasyfikacji gwiazd: najczęstsze typy to O, B, A, F, G, K i M (Oh, Be A Fine Girl, And Kiss Me), ale istnieją dodatkowe oznaczenia dla gwiazd Wolfa-Rayeta czy gwiazd węglowych.

Gwiazdy typu O są najgorętsze, najjaśniejsze i największe z gwiazd ciągu głównego, ale jednocześnie występują rzadko, bo ich cykl życia jest też krótki – dużo paliwa to szybsza reakcja. Nasze Słońce jest gwiazdą typu G, a najbliższa nam Proxima Centauri – typu M (są to gwiazdy najchłodniejsze, najciemniejsze i najmniejsze). Z łatwością znajdziecie je na wykresie powyżej.

Sprawdźmy więc, jak wyglądałoby nasze niebo i nasza planeta z jakąś inną gwiazdą.

Gdyby Ziemia wędrowała dokoła czerwonego karła, takiego jak Proxima Centauri, znajdującego się 1 au według „starej” gwiazdy od nas, nie doszłoby do powstania życia na naszej planecie, ponieważ byłoby za zimno i za ciemno. Od około 0,8 średnicy Słońca (oznaczanego symbolem ☉) można rozważać potencjalne życie na planecie położonej w odległości 1 au. Na drugim końcu skali są olbrzymy, takie jak Aldebaran – w tej gwieździe zachodzi już przemiana helu w węgiel, co oznacza, że napuchła do ogromnych rozmiarów i nie ma co liczyć na to, że jakakolwiek planeta w odległości 1 au się w ogóle uchowała, nie mówiąc o życiu. Oczywiście teoretycznie na dalekiej orbicie być może powstałyby odpowiednie warunki, ale rok na takiej planecie trwałby dość długo, co nie sprzyja rozwojowi organizmów takich, jak ziemskie. Być może w kosmosie istnieją zupełnie inne, oparte nie na węglu formy życia – zajmiemy się tym niedługo.

Dzięki nowoczesnym technikom obrazowania oraz teleskopom wysyłanym poza orbitę Ziemi możemy badać inne układy słoneczne, a więc też rozważać, czy istnieje w nich szansa na życie, zastanawiać się nad wyglądem egzoplanet i egzoksiężyców – NASA przygotowała nawet serię wizualizacji, by ułatwić nam wyobrażenie sobie tego, jak to jest mieć inną gwiazdę zamiast swojskiego Słońca, pod warunkiem również innej orbity.

Zacznijmy od układu TRAPPIST: znajduje się on około 40 lat świetlnych od nas, zawiera siedem skalistych planet upakowanych ciasno na orbitach dokoła czerwonego karła (czyli gwiazdy typu M) niewiele większego od naszego Jowisza. Ponieważ cały układ można zmieścić między orbitą… Merkurego a Słońca, na naszej planecie widzielibyśmy wszystkie pozostałe, i to bardzo dokładnie! Czy na planetach w tak zbudowanych układach gwiazd typu M jest możliwe życie? Bardzo teoretycznie, choć na pewno nie wygląda tak samo, jak na Ziemi, głównie z powodu innej długości fal: na przykład rośliny byłyby czarne. Na razie jednak trudno powiedzieć, czy rzeczywiście dałoby się odnaleźć ślady życia w takich układach słonecznych ze względu na uwarunkowania typu ciasne orbity, „kapryśność” gwiazdy czy obrót synchroniczny (taki, jak Księżyca wokół Ziemi).

Wizualizacja planety TRAPPIST-1e. Źródło: NASA.
Widok z jednej z planet układu TRAPPIST, ilustracja. Źródło: ESO/M. Kornmesser

A gdyby tak Ziemia krążyła wokół pulsara? Pulsar to gwiazda neutronowa o ogromnej gęstości, charakteryzująca się szybkimi obrotami – bardzo długo uważano, że tego typu gwiazdy nie mogą mieć swojej trzódki planet, nie mówiąc o jakimkolwiek życiu. Jednak wiemy już, że można w ich otoczeniu znaleźć planety pozasłoneczne, choć są one narażone na ekstremalne promieniowanie, a warunkiem do utrzymania życia jest niezwykle gęsta atmosfera, która spowodowałaby, że na powierzchni panowałyby warunki podobne do tych na dnie naszych oceanów. Za to mielibyśmy na takiej planecie całkiem niezwykły widok z okna!

Pulsar. Źródło: Chandra X-ray Observatory Center. NASA/CXC/ASU/J.Hester et al. Domena publiczna.

Jednak istnieją też inne możliwości powstania życia, na przykład egzoksiężyce, na których mogą występować warunki przyjaźniejsze niż na planetach – właśnie tym zagadnieniem zajmie się misja JUICE: spróbujemy się dzięki niej dowiedzieć, czy jest szansa na to, by we wnętrzu lodowych księżyców znajdowała się woda umożliwiająca rozwój żywych organizmów, nawet jeśli sama planeta nie stwarza ku temu warunków, bo jest gazowym olbrzymem.

A na koniec ciekawostka: gdyby nasz układ słoneczny znalazł się w ultragęstej galaktyce, gdzie gwiazdy upakowane są gęsto, wieczorami mielibyśmy prawdziwe gwiezdne cuda na niebie. Takie galaktyki już nie istnieją, bo wszechświat się rozszerzył (a istniały na samym początku, więc obserwowanie ich jest niezwykle trudne – widzimy wszak wspomnienie takiej galaktyki, jeśli światło z niej wędruje do nas 11 miliardów lat, a w tym czasie zdążyła się zmienić, to znaczy zmienić rozmiar przy jednoczesnym „wymarciu” większości gwiazd, które były bardzo masywne i bardzo gorące), ale pomarzyć miło!

Źródło:NASA, ESA i G. Bacon (STScI)

Jak myślicie, czy w zakątkach kosmosu skrywa się gdzieś życie?

Observable Universe

Wielki jak kosmos, czyli jaki?

Lucas jest specjalistą od rzeczy małych, a mnie przypadł obowiązek przedstawienia ogromu wszechświata, bo będzie nam ta wiedza potrzebna do dalszej eksploracji. Wiemy już, jakie jednostki stosować, pora zatem zastosować je w praktyce.

Chyba każdy próbował wyobrazić sobie czasem, jak mały lub jak wielki może być otaczający nas świat: od cząstek mniejszych od atomu po masywne czarne dziury, galaktyki czy wreszcie wszechświat, nie tylko ten obserwowalny. Możemy obecnie korzystać ze wspaniałych animacji, takich jak The Scale of the Universe (polecam!), ale czy potrafimy objąć umysłem te rozmiary, odległości, prędkości czy masy?

Żeby móc chociaż trochę oswoić rozmiar kosmosu, stosujemy między innymi jednostkę au (jednostkę astronomiczną), która pozwala nam mniej więcej wyobrazić sobie odległości międzyplanetarne i rozmiary różnych układów słonecznych: 1 au to w naszym układzie słonecznym średnia odległość Ziemi od Słońca, 150 milionów kilometrów. Jest to odległość, którą w miarę potrafimy objąć umysłem, znając mniej więcej skalę naszego układu słonecznego (a jeśli zastosujemy ją do innych układów planetarnych, łatwiej nam nią operować, by zwizualizować ich rozmiary).

Zaraz, ale tak naprawdę ile to jest 150 milionów kilometrów? Gdybyśmy wsiedli w samolot rejsowy, to z prędkością powiedzmy około 645 km/h lecielibyśmy na Słońce… około 20 lat. (Sonda Parker Solar Probe okrąża naszą gwiazdę z prędkością niemal 1000x większą). Z kolei światło słoneczne potrzebuje na dotarcie na Ziemię mniej więcej 8 minut – dlatego gdyby nagle ktoś nam zabrał Słońce, nie zorientowalibyśmy się od razu!

Jeśli jednak chcemy zajrzeć do sąsiedniej galaktyki lub wybrać się jeszcze dalej, na przykład na krańce znanego nam kosmosu, musimy zastosować inne jednostki, bo au stanie się niepraktyczna. W tym celu naukowcy opracowali tzw. drabinę odległości kosmicznych, która nie służy niestety do wspinania się na odległe gwiazdy, ale jest swego rodzaju metodą określania odległości do obiektów, których nie da się obserwować bezpośrednio, ponieważ są od nas dalej niż 1000 parseków, czyli ponad ok. 206 264 806 au (na tym przykładzie widać, że au staje się mało przydatna).

Wymyślono więc szereg różnych metod służących do pomiaru i podawania odległości, a wiele z nich oparto na świecy standardowej, czyli standard candle. Nie chodzi oczywiście o świeczkę, którą zapala się wieczorem, by poprawić nastrój, ale o obiekt o znanej absolutnej wielkości gwiazdowej: w przypadku gwiazd, które świecą światłem własnym, a nie odbitym, wartość tę (oznaczaną jako M) definiujemy jako obserwowaną wielkość gwiazdową, jaką miałyby znajdując się od nas w odległości 10 parseków (ok. 32,6 ly). Dzięki temu możemy odróżniać gwiazdy dalekie, lecz o dużej jasności, od bliższych, ale „ciemniejszych”.

Widzimy więc, że kosmiczne odległości są tak ogromne, że do ich wyznaczania i opisywania trzeba wielu różnych metod i jednostek, pozwalających nam nieco bardziej orientować się w rozmiarach kosmosu. A rozmiary te są naprawdę niepojęte. Dołóżmy do tego masy czy prędkości oraz liczbę obiektów, a szybko się pogubimy.

Nie bez powodu w astronomii stosuje się podawanie liczb na skali krótkiej (lub długiej), w zapisie matematycznym albo w notacji inżynierskiej; zresztą same nazwy „zwyczajowe”, tworzone na bazie rdzeni łacińskich liczebników, niewiele nam mówią. Do miliona (106) jesteśmy mniej więcej w stanie wyobrazić sobie pieniądze i jest to też dla nas swego rodzaju granica poznawcza, sześć zer; nawet milion kilometrów jeszcze jakoś udaje nam się „ogarnąć”: na Księżyc mamy 384 400 km, więc te niecałe 3x tyle mieści nam się mniej więcej w głowie. A tu klops, obecnie uważa się, że kosmos ma średnicę 23 bilionów lat świetlnych, a rok świetlny to 9 460 730 472 581 kilometrów… Oczywiście wymyśliliśmy zabawne nazwy takich wielkich liczb, co nie zmienia faktu, że nadal nie jesteśmy w stanie pojąć ich skali.

Chętnym proponuję wykład Khan Academy, który może choć trochę przybliży to, z czym mamy do czynienia, kiedy mówimy, że coś jest „kosmicznie wielkie”.

Cały problem opiera się po prostu na kwestii poznawczej: na Ziemi operujemy w metrach czy kilometrach, ale zrozumienie kosmosu to tak, jakby mrówce kazać sobie wyobrazić odległość z Kalifornii do Nowego Jorku. Na koniec więc spójrzmy na kosmos z naszego punktu widzenia: Ziemi.

Ziemia to planeta o średnicy około 13 000 kilometrów: to sporo, ale wiemy już, jak wygląda z kosmosu, bo udało nam się osobiście dotrzeć na tyle daleko, by zobaczyć ją w całości ludzkim okiem:

Widok Ziemi, misja Apollo 11, 20 lipca 1969 r. Źródło: NASA, domena publiczna.

Wysłaliśmy też wiele sond kosmicznych, za każdym razem pamiętając o tym, by sonda cyknęła nam fotkę. Do albumu możemy więc dodać Ziemię z Marsa:

Ziemia widziana z Marsa przez Curiosity. Źródło: NASA/JPL. Domena publiczna.

Ziemia (jasny obiekt) widziana przez sondę Parker Solar Probe z okolicy Wenus, plus minus:

Widok Ziemi z sondy Parker w okolicy Wenus. Źródło: NASA/NRL. Domena publiczna.

W 2013 roku sonda Cassini pozwoliła nam spojrzeć na Ziemię z 1,44 mld kilometrów, przy okazji uzmysławiając nam, jak ogromny jest Saturn wraz z jego pierścieniami.

Widok Ziemi z Saturna. Źródło: NASA/JPL/SSI. Domena publiczna.

Mało kto jednak zna ten obraz: tak wyglądamy z Merkurego (ok. 183 mln kilometrów), z przyklejonym do Ziemi naszym księżycem:

Widok Ziemi z sondy MESSENGER, 2010 r. Źródło: NASA. Domena publiczna.

A na koniec widok z odległości 6 mld kilometrów od Słońca i 4 mld km od Ziemi: Pale Blue Dot, niebieska kropka w bezmiarze wszechświata.

Ziemia w obiektywie sondy Voyager 2. Źródło: NASA. Domena publiczna.