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?

Wokół Słońca, czyli gdzie?

Krótki esej o tym, co się kręci wokół czego i jak bardzo to, co nam się wydaje, takie nie jest.

Ponieważ świętujemy Rok Mikołaja Kopernika, będziemy często słyszeć o tym, jak to zatrzymał on Słońce i ruszył Ziemię, ale warto pamiętać, że choć zmiana optyki była naukowym przełomem, to z czasem odkryliśmy też, że krążenie Ziemi (i innych planet) wokół naszej gwiazdy nie jest tak proste, jak się wydaje. Dlaczego?

Wszystkiemu znowu winna grawitacja, a raczej fakt, że jednorodne pole grawitacyjne to trochę taki jednorożec, a więc tak naprawdę hipotetycznie istnieje ono tylko na poziomie cząstek. W astronomii barycentrum (zwane potocznie środkiem ciężkości) danego ciała lub układu ciał to punkt przyłożenia wypadkowej siły grawitacji danego ciała/układu. Nie jest to fizyczny obiekt, a raczej koncept, który pozwolił na przykład na stworzenie Międzynarodowego Niebieskiego Systemu Odniesienia (International Celestial Reference System, ICRS), będącego połączeniem barycentrycznego (naszego układu słonecznego) centrum odniesienia i centrum geocentrycznego.

Co jednak barycentrum oznacza dla nas? Ano to, że kiedy mówimy, że Ziemia czy Jowisz krążą wokół Słońca, a Księżyc wokół Ziemi albo Pluton i Charon „wokół siebie”, poświadczamy astronomiczną nieprawdę (chociaż na potrzeby codziennego życia mniej więcej przekazujemy potrzebną informację).

Otóż w astronomii środek ciężkości nie wypada „na środku” (tak, wiem, wszyscy zdążyli przywyknąć do dziwactw astronomii od czasu, kiedy dowiedzieli się, że tlen jest metalem) w taki sposób, że siła grawitacji jednego obiektu powoduje poruszanie się innych „dokoła” (czyli po orbicie). Wypada on w tym miejscu, w którym znajduje się wypadkowy środek ciężkości ciał. Oznacza to, że jeśli mamy dwa ciała, z których jedno jest znacząco bardziej masywne (Ziemia), a drugie mniej (Księżyc) i znajdują się one względnie blisko, to mniejsze ciało będzie orbitować dokoła większego, ale… tak naprawdę w tym przypadku barycentrum znajduje się nie w środku Ziemi, tylko około 4,671 km od niego! Dzięki temu zjawisku możemy na przykład odkrywać masywne planety krążące na orbicie blisko gwiazd: gwiazda wydaje się „chybotać” w związku z grawitacją planety. Podobnie minimalnie „przesuwa się” Ziemia.

W przypadku obiektów o zbliżonej masie, czyli na przykład Plutona i Charona, sprawa ma się nieco inaczej: barycentrum wypada poza Plutonem, w związku z czym oba ciała zdają się krążyć wokół siebie, a tak naprawdę ich orbity wyznacza barycentrum, wokół którego oba krążą. Taki układ często nazywamy układem binarnym, a tutaj dodatkowo oba obiekty mają orbity synchroniczne.

Pluton i Charon. Źrodło: NASA/JHUAPL/SwRI. Domena publiczna.

Zapewne już domyślacie się, jak to wygląda w przypadku układu z wieloma ciałami: kiedy dodamy odległości i różne masy, okaże się, że tak naprawdę nic nie krąży „wokół” Słońca w naszym układzie słonecznym: wszystko opiera się na dynamicznie zmieniającym się barycentrum. W przypadku planet w naszym najbliższym sąsiedztwie wypada ono rzeczywiście „na środku” Słońca (choć nie idealnie), ale na przykład z Jowiszem jest już inaczej: ogromna odległość oraz masa planety powodują, że… barycentrum wypada „ponad powierzchnią” Słońca. Z kolei barycentrum całego układu słonecznego łącznie to oczywiście wypadkowa dla całego układu, zmieniająca się zależnie od tego, gdzie w danym miejscu na orbicie znajdują się planety (bo zmienia się siła grawitacji pomiędzy nimi).

Na potrzeby popularnonaukowe i codzienne oczywiście upraszczamy, podobnie jak upraszczamy wiele innych koncepcji, stosując na przykład odniesienia ziemskie do zjawisk w kosmosie, warto jednak pamiętać o tym, że nie do końca krążymy wokół naszej gwiazdy!

Co by było, gdyby Słońce zastąpiła czarna dziura?

Czarne dziury nie mają lekko: ciągle się je oskarża o rzeczy, których nie robią, ale które fajnie wyglądają na clickbaitowych nagłówkach: że są czarne jak najczarniejsza czarność, że pochłaniają wszystko, co się pojawi w ich otoczeniu, że mogą powstać z dowolnej gwiazdy (więc nie znamy dnia ani godziny), że wpadnięcie poza horyzont zdarzeń zrobi z nas spaghetti, albo że Wielki Zderzacz Hadronów wyprodukuje minidziurę, która wessie Ziemię i cały nasz układ słoneczny. Zajmiemy się tymi mitami w którymś kolejnym wpisie – a teraz zróbmy eksperyment myślowy i zastąpmy Słońce czarną dziurą!

Zacznijmy od najprostszego scenariusza: Słońce znienacka staje się czarną dziurą. W tej sytuacji nasz układ słoneczny w zasadzie by się nie zmienił (pamiętamy, że „zasysanie otoczenia” to mit), ale po ośmiu minutach Ziemia utonęłaby w wiecznym mroku i zimnie. Życie na powierzchni stałoby się niemożliwe, a po pewnym czasie doszłoby do nieodwracalnych zmian również we wnętrzu planet i księżyców, które uległyby wychłodzeniu w szybkim tempie. Na Ziemi powierzchnia oceanów zamarzłaby już po dwóch miesiącach, choć całkowita zamiana oceanów w lód potrwałaby jeszcze co najmniej tysiąc lat, a nawet dłużej – jednak w temperaturze -200 do -270 stopni Celsjusza nic nie przetrwa.

Gdyby jednak czarna dziura o masie naszego słońca „nadleciała z kosmosu”, spowodowałaby niezłe zamieszanie: przed wszystkim, lecąc od zewnątrz, zaburzyłaby bardzo szybko układ planet, rozrywając po drodze większość naszego układu słonecznego (silna grawitacja), ale niekoniecznie go pochłaniając. Planety mogłyby też „wystrzelić” z kosmicznej procy: tej zasady używamy obecnie do oszczędzania paliwa statków kosmicznych wynoszących sondy na dalekie planety, orbity lub poza układ słoneczny. Czas na małą dygresję, która pokaże nam, jak działa taka siła:

Czym jest gravitational slingshot, czyli gravity assist maneuver?

Asysta grawitacyjna polega na zmianie prędkości (i kierunku ruchu) statku poprzez oddziaływanie grawitacyjne dużego obiektu (planety, księżyca, gwiazdy). Metoda ta została opracowana przez Rosjan w Instytucie Matematyki im. Stiekłowa w Moskwie i bez niej w zasadzie nie bylibyśmy w stanie eksplorować kosmosu, bo chodzi nie tylko o przyspieszanie, ale też… zwalnianie. Zrozumienie oddziaływania Słońca na przykład pozwala nam skuteczniej wysyłać sondy na Merkurego, bo jak łatwo zgadnąć, ogromna siła grawitacji ściąga i przyspiesza statki kosmiczne tak, że bez odpowiednich manewrów nie dałoby się wejść na orbitę planety.

Przyjrzyjmy się sondzie MESSENGER.

Grafika przedstawiająca wizję artystyczną sondy MESSENGER. Źródło: NASA. Domena publiczna.

Merkury wydaje się być względnie blisko Ziemi, a jednak podróż sondy MESSENGER trwała… sześć lat. Dlaczego? Gdyby puścić sondę prosto, nie byłaby ona w stanie pokonać grawitacji Słońca, minęłaby się z celem – a próba hamowania silnikiem zużyłaby całe paliwo. Z tego powodu sonda musiała zawracać niejako, zahaczając o Ziemię, Wenus, kilka razy mijając też Merkurego z daleka. Pierwsza asysta grawitacyjna w kierunku Merkurego należy jednak do sondy Mariner 10 (1974 r.).

Podobnie sprawa ma się w przypadku podróży w stronę krańców naszego układu słonecznego: o ile na Marsa czy Wenus (nie Wenusa!) możemy lecieć, stosując manewr Hohmanna (Hohmann transfer), to na dalsze odległości nie jesteśmy w stanie zabierać tyle paliwa, które pozwalałoby na przyspieszanie silnikiem (czyli odwrotnie niż w kierunku Merkurego, gdzie hamowanie silnikiem żarłoby paliwo). Grawitacja planety pozwala nadać statkom kosmicznym przyspieszenie, a odpowiednia trajektoria lotu wygląda tak, jakby statek został w pewnym momencie wystrzelony z procy (stąd angielska nazwa slingshot maneuver).

Jeśli śledziliście lot sondy Cassini-Huygens, mogliście zauważyć, że w pewnym momencie poleciała „w złą stronę”, kierując się ku… Wenus.

Trajektoria lotu sondy Cassini-Huygens. Źródło: ESA. Domena publiczna.

Sonda nabrała rozpędu, przelatując dwa razy w pobliżu Wenus, następnie Ziemi, skąd została „wystrzelona” w kierunku Jowisza i Saturna. Przedłużyło to jej lot o pół roku względem bezpośredniego jej wystrzelenia manewrem Hohmanna, ale pozwoliło na ogromne oszczędności paliwa, co było niezwykle ważne ze względu na masę sondy, lecącego na doczepkę robota Huygens, a także planowaną długość misji. Dzięki temu możemy cieszyć oczy tak pięknymi zdjęciami, jak te: