Lovell Joyce - ODKRYWANIE DALEKIEGO WSZECHŚWIATA - SERIA OMEGA.rtf

Lovell Joyce

ODKRYWANIE DALEKIEGO WSZECHŚWIATA

Przedmowa

Radioteleskop w Jodreil Bank, który stanowi dziś nie­odłączną część krajobrazu na równinie Cheshire, został skon­struowany W tym samym czasie, co pierwszy radziecki Sputnik. Tej pamiętnej jesieni 1957 r. zasypała nas lawina odwiedzają­cych 1 telefonów, tak że częstokroć nasz dzień pracy sięgał w głęboką noc, a pomieszczenie, w którym znajduje się tele­skop mieszało się z naszym własnym domem odległym o ok. 5 km. Spokojne życie sprzed października 1957 r. nie powróciło już właściwie nigdy. W ciągu kilku najbliższych lat otrzyma­liśmy prawie ćwierć miliona listów z prośbą o umożliwienie obejrzenia teleskopu i poznania jego działania. Mniej więcej czwartą część tych próśb kierowano na nasz adres prywatny. W owym czasie nie zorganizowano jeszćze żadnej oficjalnej .grupy przewodników zajmujących się oprowadzaniem zwiedza­jących, toteż, w miarę naszych możliwości, sami staraliśmy się temu sprostać.

Wówczas też stwierdziliśmy, że wielu zwiedzających miało :podobne trudności w zrozumieniu zasad działania teleskopu. W tej więc książce postaraliśmy się opowiedzieć o zagadnie­niach, z którymi wiąże się praca teleskopu, w taki sposób, w jaki mówiliśmy o tym naszym gościom. Stopień zrozumienia bywał bardzo różny. Bardzo nieraz proste, podstawowe różnice między teleskopami optycznymi a radioteleskopami trzeba było tłumaczyć ludziom, którzy jeśli nawet nie całkiem, to z grub­sza rozumieją o wiele trudniejsze zagadnienia kosmologii, po­dobnie jak 1 z książką. Nie jest to ani podręcznik, ani książka przeznaczona dla specjalistów. Mamy nadzieję, że wzbudzi ona zainteresowanie u ludzi w każdym wieku, podobnie jak nasz gigantyczny przyrząd, widoczny z naszego ogrodu.

M. J. L.

1

Rozwój astronomii

Astronomia w świecie starożytnym. Od czasów najstarszych cywilizacji człowiek badał ruchy ciał niebieskich. Na podstawie tych obserwacji stopniowo ugruntowało się przekonanie o jego miejscu we Wszech- świecie. Obserwując wschody i zachody pewnych grup gwiazd człowiek pierwotny stworzył wiele związanych z nimi legend i zaludnił niebo istotami wywierającymi dobry lub zły wpływ na jego działalność — na zasiewy i żniwa, narodziny i śmierć, a historie te były przeka­zywane z ust do ust. Konstelacjom, czyli grupom gwiazd nadawano nazwy zaczerpnięte z mitologii greckiej, tak że gdyby astronom z czasów poprzedzających o setki lat naszą erę pojawił się w naszym wieku, rozpoznałby wiele spośród nazw konstelacji gwiazd na Półkuli. Północnej.

O              różnorakich wpływach konstelacji ciał niebieskich na działalność człowieka pisze Wirgiliusz w pierwszej księdze Georgik:

„Mecenasiel chcę śpiewać o tym, co da w zbiorach Obfitość, z jaką gwiazdą .orać, kiedy pora Latorośl piąć na wiązy i jak się o woły Troskać, jak owce chować i jak mądre pszczoły Oszczędne mnożyć” *

Żeglarz w swych podróżach opierał się na znajomości konstelacji gwiezdnych:

„Wiatrem wesoły, boski Odys rozpiął żagle.

Siedząc przy rudlu sprawnie sterował, a sen nie padał na powieki. Patrzył w Plejady i w późno zachodzącego Wolarza, i w Niedźwiedzicą, którą też zowią Wozem: ona się w miejscu obraca i śledzi Oriona, a Jedyna z gwiazd nie kąpie się w Okeanie. Nakazała mu Kalipso arcybóska, by prując morze, Niedźwiedzicę miał po lewej ręce” *.

Opis konstelacji niebieskich sporządzony przez Eu- doksjusza (409—356 p.n.e.), jeden z najstarszych jakie po­siadamy, ukazuje Ziemię jako punkt centralny z prze­cinającymi się sferami Słońca, Księżyca i planet, poru­szających się wokół niejw Ten obraz Wszechświata z Zie­mią w punkcie centralnym, czyli obraz geocentryczny, miał się utrzymać przez wiele stuleci, aż do czasu, gdy udoskonalona technika pomiarów zaczęła podważać po­przednie poglądy człowieka na strukturę świata, w któ­rym żył.

Tymczasem w r. 230 p.n.e. pewien grecki astronom wy­znaczył obwód Ziemi (wykorzystując dokonywany przez dwóch obserwatorów pomiar kąta między daną gwiazdą a zenitem, w chwili gdy przecinała ona w pewnym punkcie południk, na którym znajdowali się ci obserwa­torzy). Arystarch z Samos (ok. 270 r. p.n.e.) próbował wyznaczyć rozmiary oraz odległości od Ziemi Słońca i Księżyca, zaś z początkiem I stulecia p.n.e. Hipparch ułożył katalog pozycji ponad tysiąc gwiazd oraz doko­nał pomiarów precesji, czyli kolistego ruchu osi ziem­skiej!

Teorię swą dotyczącą ruchów Słońca, Księżyca i pla­net, w której zataczają one swe własne okręgi wokół nie­ruchomej Ziemi umieszczonej w środku Wszechświata, Ptolomeusz sformułował w dziele pt. Almagest. Podzielił on gwiazdy na klasy wg jasności (wielkości), przy czym gwiazda 1-szej wielkości była 100 razy jaśniejsza niż gwiazda 6-tej wielkości. Poglądy jego nie były sprzeczne z filozofią Arystotelesa przyjętą przez scholastyków, wg

której człowiek na Ziemi znajdował się w środku Wszech­świata, złożonego z cżterech żywiołów (elementów): ziemi, wody, powietrza i ognia. Teoria ta przetrwała — prawie bez sprzeciwów — przez wiele stuleci, i dopiero Koper­nik (1473—1543) wywołał wielką rewolucję w wiedzy astronomicznej. Założył on, że Ziemia obraca się wokół swej osi, oraz że Słońce znajduje się w środku Wszech­świata, tak że w ciągu roku Ziemia i planety obiegają Słońce, ^podczas gdy Księżyc obiega Ziemię. Ta teoria heliocentryczna, zakładająca centralne położenie Słońca, została ogłoszona drukiem tuż przed śmiercią autora w słynnej pracy, zatytułowanej O obrotach ciał nie­bieskich.

Astronomia w XVI i XVII wieku. Na okres, który nastąpił wkrótce po śmierci Kopernika, przypada działalność Tychona Brahego (1546—1601), którego obser­wacje (możliwe dzięki znacznym udoskonaleniom w dzie­dzinie przyrządów pomiarowych) posłużyły jako pod­stawa do sporządzenia tablic orbit planetarnych, pod­czas gdy wielki matematyk Kepler (1571—1630) sformu­łował prawa rządzące ruchami planet i wykazał, że ich rzeczywistymi torami nie były okręgi, lecz elipsy. W roku 1610 Galileusz dowiedział się o wykonanym we Flan­drii przyrządzie powiększającym, w którym dwie od­powiednio umieszczone soczewki działały tak, że odległe przedmioty wydawały się większe i bliższe, i patrząc przez mały nowo zbudowany teleskop zaobserwował góry na powierzchni Księżyca, plamy na Słońcu oraz księżyce Jowisza. Średnica obiektywu wynosiła zaledwie 2,5 cm, niemniej jednak od tej chwili w ręku astronomów zna­lazło się narzędzie nieporównanie potężniejsze niż wszyst­kie posiadane poprzednio. Umożliwiało to ogromne osiąg­nięcia w badaniu Wszechświata, wprawdzie nie bez sprze­ciwów ze strony tych, w oczach których nowe teorie podważały stare wierzenia.

Doświadczenie Sir Izaaka Newtona wykonane w r. 1676 wykazało, że światło słoneczne po przejściu przez pryzmat rozszczepia się na siedem barw. Eksperyment ten zwró­cił także uwagę na reflektor (teleskop odbiciowy), któ- 8

'rego mały model Newton ofiarował Towarzystwu Kró­lewskiemu. Nowoczesna astronomia rozwinęła się w opar­ciu o sformułowane przez Newtona prawo powszechnego ciążenia: siła przyciągania pomiędzy dwoma ciałami jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi.

Przez prawie 2000 lat teorie Arystotelesa wydawały się niezachwiane, teraz jednak, gdy ich istotny związek z tradycją został zerwany, astronomia zaczęła się z nich wyzwalać.

Rozwój teleskopu optycznego w XX wieku. Od czasu wprowadzenia pierwszego teleskopu przed 350 laty zaczęto zdawać sobie sprawę, że powiększe­nie rozmiarów tych przyrządów umożliwia obserwacje coraz odleglejszych obiektów w przestrzeni kosmicznej.

Po pracach Lorda Rossego w XVIII w. i Herschela w XIX w., którzy budowali w Anglii coraz większe te­leskopy o coraz większej zdolności rozdzielczej, w XX w. największych osiągnięć w tej dziedzinie dokonano w Ameryce. 2,5-metrowy teleskop na Mt Wilson zasto­sowano po raz pierwszy w r. 1918, zaś w 30 lat później — 5-metrowy teleskop na Mt Palomar.

Nowe informacje otrzymywane przez astronomów za pomocą tych teleskopów porównywano z tradycyjnymi poglądami człowieka. Bardziej stanowczo niż kiedykol­wiek przedtem stwierdzono, że wiele z poglądów o roz­miarach i budowie Wszechświata, które panowały przez 'całe stulecia, nie może utrzymać się nadal. Dotychczas bowiem człowiek spoglądający na Drogę Mleczną — zbiór gwiazd widocznych na czystym niebie — wyobrażał so­bie, że układ ten jest ograniczony w przestrzeni i że sta­nowi całość Wszechświata. Panowało przekonanie, że Słońce, Ziemia i planety znajdują się w środku tego układu, przy czym Słońce — typowa gwiazda — wydaje się jasne, ponieważ znajduje się blisko, inne gwiazdy na­tomiast wydają się słabe, ponieważ są daleko. Wierzono — aż do czasu dokonania obserwacji za pomocą nowych te­leskopów — że wiele miliardów gwiazd w układzie Drogi Mlecznej mieści się w obszarze mniej więcej kulistym,

którego przebycie zajęłoby kilka tysięcy lat promieniowi' światła, pędzącemu z prędkością 300 000 km/sek.

Nowe poglądy na budowę Wszechświata. Z chwilą zastosowania nowych przyrządów stało się jasne, że gwiazdy Drogi Mlecznej, których liczba sięga 100 miliardów, są rozmieszczone asymetrycznie w obsza­rze o kształcie spłaszczonego dysku, którego przebycie za­jęłoby promieniowi światła ok. 100 000 lat. Okazało się, że gwiazdy grupują się głównie w obszarach o kształcie spiral rozchodzących się promieniście od punktów cen­tralnych, na podobieństwo gigantycznych ośmiornic, Zie­mia zaś zajmująca wewnątrz tego spłaszczonego dysku położenie bynajmniej nie centralne znajduje się na jed­nym ze spiralnych ramion w odległości ok. 30 000 lat świetlnych od środka.

Opisując odległości oddzielające naszą „rodzinę” sło­neczną od gwiazd i mgławic w przestrzeni używamy wy­rażenia „lata świetlne”, przy czym 1 rok świetlny ozna­cza odległość, którą promień światła przebywa w ciągu roku. Prędkość światła wynosi 300 000 km/sek; światło słoneczne zużywa 8 minut na przebycie drogi do Ziemi, wynoszącej 149 min km, a zatem mówimy, że Słońce jest odległe o 8 minut świetlnych. Światło z Plutona odległego

o              kilka miliardów km dochodzi po 6Vs godzinach, a na­sza odległość od najbliższej gwiazdy jest tak wielka, że światło od niej dochodzi do nas po 4Va latach.

Musimy zatem uświadomić sobie, że nasze informacje astronomiczne dotyczą niemal zawsze przeszłości. Nasza wiedza o Słońcu jest spóźniona o 8 minut, a o najbliższej gwieżdzie o 4Vs lat. Światło niektórych gwiazd Drogi Mlecznej podróżowało do nas 80 000 lat, a światło z ga­laktyki w gwiazdozbiorze Andromedy dochodzi do nas po 2 min lat.

Z naszego położenia w jednym ze spiralnych ramion Galaktyki, my na Ziemi nie możemy widzieć jądra (obsza­rów centralnych) Galaktyki, ponieważ przesłania je pył znajdujący się w przestrzeni międzygwiazdowej. Pył ten zaciemnia obraz otrzymywany w teleskopie i pochłania ponad 90°/o światła pochodzącego od gwiazd, których moc 10

promieniowania mogłaby być taka sama, Jak Księżyca. Tylko rozwojowi radioteleskopów człowiek zawdzięcza przeniknięcie przez pył międzygwiazdowy i szczegółowe zbadanie budowy centralnych obszarów Drogi Mlecznej.

Wielkie teleskopy optyczne pozwoliły stwierdzić, że sa- ima Droga Mleczna jest tylko jedną z wielu galaktyk, a odległości między gwiazdami wewnątrz niej są ma­leńkie w porównaniu z odległościami oddzielającymi same galaktyki. Herschel 150 lat temu obserwował słabą mglistą plamkę w gwiazdozbiorze Andromedy i zastanawiał się, czy ta oraz inne, podobne do niej mętne plamki, leżą poza Drogą Mleczną. Nie mógł on jednak dostarczyć na to przekonywających dowodów, toteż dalej wierzono, że mgławice te należą do Drogi Mlecznej.

Teleskop z Mt Wilson okazał się dostatecznie potężny, aby rozdzielić galaktyki na pojedyncze gwiazdy; w wy­niku tych obserwacji stwierdzono, że przypuszczenia Her- schela były słuszne i że w ogromnych odległościach od układu Drogi Mlecznej znajdują się inne galaktyki, zło­żone z gwiazd. Światło z galaktyki Andromedy, docho­dzące dzisiaj do teleskopów, podróżowało w przestrzeni przez 2 min lat, przybywając z innego układu gwiazdo­wego, podobnego pod względem rozmiarów i składu do naszej własnej Drogi Mlecznej.

Dzięki zastosowaniu wielkich teleskopów optycznych człowiek nie tylko dowiedział się, że galaktyki występują w ogromnych skupieniach lub gromadach i, podobnie- jak Ziemia i planety, są związane ze Słońcem i razem ¡poruszają się w przestrzeni, ale że w szerszej skali wy­stępują one w gromadach jako połączone układy fizyczne. Galaktyki wewnątrz swych zgrupowań znajdują się w chaotycznym ruchu pod wpływem przyciągania sił grawitacyjnych. Rozszerzanie się Wszechświata przejawia się jako oddalanie się wzajemne gromad galaktyk. W miarę oddalania się w przestrzeni prędkość ekspansji wzrasta. W odległościach, do których obecnie docierają obserwacje współczesnych teleskopów optycznych, pręd­kość oddalania się od nas gromad galaktyk wynosi ok. 130 000 km/sek. W ciągu 20 minut czytania tego tekstu, przestrzeń, dzieląca nas od odległych galaktyk, wzrośnie

o              ok. 50 min km, czyli o taką odległość, jak między Zie­mią a Słońcem. .

Tak przedstawia się w przybliżeniu obraz, który mogliśmy sobie wytworzyć za pomocą współczesnych przyrządów astronomicznych. W następnych rozdziałach zobaczymy, jak dokonano niektórych spośród tych pasjo­nujących odkryć, oraz jak nasze poglądy stale ulegają zmianie.

2

Nowe narzędzie nauki — radioastronomia

Fale radiowe z przestrzeni kosmicz­nej. Wydawało się, że wielkie teleskopy optyczne po­zostaną najdoskonalszym narzędziem, dzięki któremu człowiek może zdobywać informacje o gwiazdach i ga­laktykach. Innymi słowy sądzono, że światło przybywa­jące do nas od tych obiektów będzie głównym i naj­lepszym źródłem informacji. Oczy ludzkie są czułe na widzialną część widma w zakresie długości fal znajdu­jących się między nadfioletem a podczerwienią, i właśnie dla tego obszaru długości fal atmosfera Ziemi jest prze­zroczysta. W miarę zbliżania się bądź do czerwonej, bądź do niebieskiej części widma — światło coraz silniej ulega rozpraszaniu i pochłanianiu przez zawarte w atmosfe­rze parę wodną i pył.

Niebo oglądane z Ziemi wydaje się niebieskie właśnie z powodu rozpraszania światła słonecznego — astronauci przekraczają te obszary rozpraszania i dla nich niebo wy­daje się czarne. Idąc w kierunku fal znacznie krótszych niż promieniowanie nadfioletowe dochodzimy do obszaru tzw. miękkich promieni Roentgena. Promienie te,, po­chodzące od Słońca, ulegają pochłanianiu w wyższych warstwach atmosfery na skutek różnych procesów, jak

o              tym przekonamy się w rozdz. 3. Gdyby człowiek był istotą o wzroku reagującym tylko na promieniowanie podczerwone lub nadfioletowe, to wówczas niewiele do­wiedzielibyśmy się o przestrzeni pozaziemskiej, aż do dzisiejszego dnia, kiedy to stało się możliwe wyjście poza

pochłaniające obszary atmosfery za pomocą sztucznych satelitów i sond kosmicznych.

Wydawało się niemożliwe, aby informacje o przestrzeni pozaziemskiej mogły być zbierane z wykorzystaniem ja­kiegokolwiek innego obszaru widma, niż wąskie pasmo światła widzialnego, a to ze względu na pochłanianie przez atmosferę ziemską wszelkiego promieniowania poza znanymi barwami tęczy. Jednakże już pierwsze doświad­czenia z falami radiowymi, wykonane w latach dwu­dziestych, wykazały istnienie przezroczystego obszaru widma dla fal znacznie dłuższych, tzw. fal radiowych. Długości fal światła widzialnego mierzymy w stutysięcz-» nych częściach cm, natomiast długości fal radiowych z obszaru widma, dla którego atmosfera jest przezro­czysta, rozciągają się od ułamków centymetra do wielu metrów. Z centralnego obszaru tego pasma korzysta się przy nadawaniu programów radiowych i telewizyjnych na Ziemi.

Mimo że wiedziano o istnieniu tego obszaru widma,, dla którego atmosfera jest przezroczysta, nie przypu­szczano, że własność ta może być wykorzystaną przez astronomów. Gwiazdy, a więc i Słońce, są ciałami go­rącymi, temperatury ich powierzchni są rzędu wielu ty­sięcy stopni, zaś podstawowe prawa fizyki mówią, że maksimum emisji energii takich ciał znajduje się w obsza­rze widzialnym, lub bliskim widzialnego widma fal elek­tromagnetycznych. Dlatego też zdumieniem napełniły astronomów wiadomości z lat 1931 i 1932, że inżynier elektryk Karl Jansky w tym właśnie obszarze widma stwierdził istnienie promieniowania (sygnałów), których pochodzenie przypisał obszarom znajdującym się daleko- poza naszym Układem Słonecznym.

Jansky pracował w zakładach firmy Bell Telephone w Stanach Zjednoczonych, a zlecone mu zadanie polegało na wykryciu przyczyn zakłóceń występujących przy da­lekosiężnych połączeniach radiotelefonicznych i w łącz­ności radiowej. Jego aparatura działała na falach stosun­kowo długich, od 14 do 20 m, zaś antena składała się- z zespołu prętów obracanych na murowanym fundamen­cie. Stwierdził on prosty i interesujący fakt, że nawet

oo

wówczas, gdy nie było żadnych widocznych przyczyn za­kłóceń atmosferycznych, takich jak np. burza, w apara­turze odbierano pewne resztkowe zakłócenia, które ule­gały zmianom w ciągu doby. Zmiany te miały charakter regularny. Jansky zauważył mianowicie, że maksymalne natężenie sygnałów odbierano każdego dnia o 4 minuty wcześniej niż dnia poprzedniego. Z tej obserwacji wy­wnioskował, że źródło tych zakłóceń czy szumów radio­wych musi znajdować się w obszarach przestrzeni daleko poza Układem Słonecznym (doba gwiazdowa ma 23 godz. 56 min, tyle bowiem wynosi okres obrotu Ziemi wzglę­dem gwiazd, lecz nie względem Słońca). Przekonanie Jan- sky’ego, że źródło szumów radiowych pochodzi nie tylko z przestrzeni pozaziemskiej, lecz nawet spoza Układu Sło­necznego, zostało przyjęte bez zastrzeżeń i stało się na­wet niezwykle ważnym czynnikiem w rozwoju badań astronomicznych. Początkowo jednak astronomowie nie przejęli się zbytnio odkryciami Jansky’ego a jego zwierzchnicy polecili mu zająć się inną pracą.

Aż do czasu II wojny światowej zagadnieniem tym zaj­mował się wyłącznie Grotę Reber, amator, który w ogro­dzie przed swym domem w Illinois zbudował prototyp współczesnego radioteleskopu. Składał się on z czaszy

0              średnicy 9,1 m w kształcie paraboloidy umieszczonej tak, że można ją było kierować na dowolną część nieba. Teleskop ten złożono w ostatnich czasach ponownie

1              umieszczono jako obiekt zabytkowy przy wejściu do Narodowego Obserwatorium Radioastronomicznego w Green Bank w Zachodniej Wirginii.

Jak się sporządza mapy radiowe nieba. Badania fal radiowych, dochodzących z Drogi Mlecznej, dokonywane za pomocą tego przyrządu, umożliwiły Re- berowi sporządzenie pierwszej prawdziwej mapy nieba radiowego, charakteryzującej się już niezłą dokładnością. Oczywiście, sygnały radiowe odbierane za pomocą radio­teleskopu nie dają żadnej informacji o odległości obiek­tów, od których pochodzą. Czasami, jak o tym będzie mowa później, radioteleskopu używa się tak, jak apara­tury radarowej — w tym przypadku fale radiowe są emi-

23

towane przez taką aparaturę i wówczas można mierzyć czas potrzebny na przebycie przez fale drogi, np. do Księ­życa i z powrotem, co pozwala na dokładne wyznaczenie odległości od danego obiektu astronomicznego.

Zastosowanie jednak tego rodzaju techniki radarowej w astronomii ogranicza się do bliższych obiektów w Ukła­dzie Słonecznym. Na ogół radioteleskop jest stosowany wyłącznie jako odbiornik, tak że astronomiczna mapa nieba otrzymana w ten sposób jest tylko mapą rzuto­wą. Pogłębia to znacznie -trudności w interpretacji wy­ników, gdy stwierdzone obiekty próbujemy utożsamić z gwiazdami i galaktykami, znanymi z obserwacji doko­nywanych za pomocą teleskopów optycznych.

Teza Jansky’ego, że szumy rejestrowane przez jego układ odbiorczy były związane z promieniowaniem elek­tromagnetycznym (w zakresie fal radiowych) dochodzą­cym z przestrzeni pozaziemskiej, została więc potwier­dzona. Reberowi następnie udało się stwierdzić, że natę­żenie tych szumów radiowych zależy od kierunku, z któ­rego radioteleskop odbierał sygnały. Zaobserwował on, że sygnały o największym natężeniu odbierano wóv*oeas, gdy kierunek wiązki antenowej (o rozwartości kilku stopni) skierowany był na ten obszar nieba, w którym jest naj­więcej gwiazd widzialnych. Kierując zaś radioteleskop na te obszary Drogi Mlecznej, gdzie koncentracja gwiazd jest mniejsza, obserwował spadek natężenia sygnałów.

...