WE WNĘTRZU WSZECHŚWIATA - Stodółkiewicz Jerzy - WIEDZA POWSZECHNA.rtf

JERZY S. STODÓLKIEWICZ

WE WNĘTRZU WSZECHŚWIATA

Astronomia zawsze pociągała swą romantyką i tajemniczością. Z wolna obracająca się czarna kopuła nieba usiana tysiącami mi­gotliwych gwiazd, przecinana rozbłyskami meteorów, przepa­sana jarzącą się wstęgą Drogi Mlecznej urzekać musi każ­dego wrażliwego na piękno człowieka. Przekonanie o nikłości Ziemi wobec ogromu Wszechświata, świadomość rozgrywających się w nim potężnych procesów, które doprowadziły do ukształto­wania się otaczającej nas rzeczywistości, pobudzać muszą do refleksji. Wreszcie zwykła ciekawość i potrzeba poznania ota­czającego nas świata są przyczyną stale rosnącego zainteresowa­nia astronomią.

Celem, który przyświecał mi przy pisaniu tej książki, było ukazanie Czytelnikowi ciał niebieskich w ich wzajemnym powią­zaniu wielorakimi oddziaływaniami oraz dostarczenie Mu możli­wie aktualnych wyobrażeń o ich budowie i rozwoju. Próbowałem jednocześnie przedstawić złożoność metod stosowanych przez naukę, by z okruchów informacji, których nam przyroda o sobie dostarcza, budować stopniowo gmach naszej wiedzy o Wszech- świecie. Czytelnik osądzi, czy te próby zostały uwieńczone powo­dzeniem.

Warszawa, wrzesień 1977 r.              J.S.S.

Z głębin Wszechświata dociera do Ziemi promieniowanie ele­ktromagnetyczne. W postaci świecenia ciał niebieskich widzimy zaledwie jego część — jest to promieniowanie widzialne, na które reaguje ludzkie oko. Inne rodzaje tego promieniowania — radiowe, podczerwone, nadfioletowe, rentgenowskie, gamma — rejestro­wane są jedynie przez astronomów przy użyciu specjalnie w tym celu zbudowanych urządzeń. W niezmiernie słabych na ogół drganiach wektorów elektrycznego i magnetycznego, mierzonych przez astronomów na Ziemi, zakodowane są informacje o odleg­łych ciałach niebieskich, które wysłały to promieniowanie w przestrzeń kosmiczną, i o ośrodku, przez który ono przechodziło. Zadaniem astronomów jest złamanie tego szyfru stworzonego przez przyrodę, zrozumienie języka, w którym wyrażone są wia­domości dochodzące do nas z kosmosu, wiadomości niejednokro­tnie wysłane miliardy lat temu.

Większość odbieranego promieniowania elektromagnetycznego pochodzi od pojedynczych źródeł: Słońca, planet, gwiazd, obło­ków materii międzygwiazdowej, galaktyk. Ale część dociera do nas z całego sklepienia niebieskiego, jego ilość nie zmienia się w czasie, nie daje się zidentyfikować jego źródła z określonym ty­pem obiektów astronomicznych. Wykonane pomiary świadczą, iż przenika ono cały Wszechświat, a rozkład widmowy jest taki, jak gdyby pochodziło ono od ciała o temperaturze ok. 3 K. Jest to tzw. promieniowanie szczątkowe Wszechświata, zwane także promieniowaniem tła Wszechświata. To tajemnicze na pierwszy rzut oka zjawisko dostarczyło, przy właściwej jego interpretacji, ważnych wiadomości o wczesnych etapach ewolucji Wszechświata. Wiąże się je z tym okresem, w którym materia była znacznie gęstsza, a temperatura o wiele wy­ższa. Istniało wówczas silne sprzężenie między materią, i wypeł­niającym Wszechświat promieniowaniem. Rozkład widmowy pro­mieniowania określony był w owym czasie przez temperaturę ma­terii. W miarę postępującej ewolucji malała gęstość materii,

obniżała się także jej temperatura. Gdy materia ochłodziła się na tyle. iż większość gazu znalazła się w stanie neutralnym, nastą­piło zerwanie sprzężenia między materią i promieniowaniem tła i od tej chwili oba te składniki Wszechświata ewoluowały już własnymi, niezależnymi drogami. W miarę ciągłego rozszerzania się Wszechświata zmieniał się rozkład widmowy promieniowania tła w ten sposób, że rosły długości wszystkich fal świetlnych. Ob­serwowany obecnie rozkład widmowy promieniowania szcząt­kowego, które wykryte zostało w dziedzinie fal radiowych, jest właśnie wynikiem tych przemian. W ten sposób możemy obecnie „widzieć” Wszechświat w okresie, w którym powstawało promie­niowanie tła, i wnioskować o jego budowie w tym czasie. Jest to jeden z przykładów dróg, które prowadzą astronomów do po­znania odległych etapów rozwoju Wszechświata, do zbadania jego budowy.

Promieniowanie elektromagnetyczne nie jest jedynym źród­łem naszej wiedzy o obiektach astronomicznych. W okolice Ziemi, a częściowo nawet do jej powierzchni dociera promienio­wanie korpuskularne — strumienie cząstek różniących się między sobą znacznie pod względem swej budowy oraz niesionej energii. Duża ich część pochodzi ze Słońca, jednak wiele dociera z odległych obszarów naszej Galaktyki, a nawet spoza niej. Te o szczególnie dużych energiach powstały zapewne podczas ol­brzymich eksplozji zachodzących w niektórych typach gwiazd lub w jądrach wielu galaktyk. Są one świadectwem kataklizmów sta­le rozgrywających się w kosmosie.

Od dwudziestu lat otoczenie Ziemi i Układ Planetarny stały się przedmiotem bezpośrednich badań przy użyciu przyrządów umie­szczonych w sztucznych satelitach, próbnikach i pojazdach kos­micznych. Spowodowało to szybki napływ wiadomości o warun­kach panujących w materii międzyplanetarnej i o zjawiskach zachodzących na powierzchniach planet. Owocem tych badań było między innymi odkrycie pasów radiacji wokół Ziemi, poznanie bu­dowy jej magnetosfery, wykrycie wiatru słonecznego — stru­mienia gorącej plazmy wypływającej z atmosfery Słońca. Czło­wiek dotarł już do najbliższego mu ciała niebieskiego — Księżyca, natomiast próbniki kosmiczne osiągnęły powierzchnię Wenus i Marsa, zbliżały się do Merkurego, przeszły przez pas planetoid i dotarły w bezpośrednie sąsiedztwo Jowisza i Saturna. Jesteśmy świadkami niezwykle szybkiego rozszerzania się obszaru działa­lności człowieka, który od wieków przykuty do swej kolebki- -Ziemi teraz śmiało sięga ku innym ciałom Układu Planetarnego. Nie do przewidzenia jest jeszcze obecnie wpływ tego zjawiska na świadomość społeczności ludzkiej i na sposób życia człowieka przyszłości.

Pojedyncza obserwacja astronomiczna to dopiero niewielki krok w kierunku poznania zjawisk zachodzących w kosmosie. Przynosi ona zazwyczaj jedynie informację o chwilowym stanie obserwowanego obiektu, a co więcej — informację niepełną, daje bowiem zaledwie migawkowy i jednostronny obraz rzeczywisto­ści. Dopiero badania przeprowadzone przy użyciu różnych tech­nik astronomicznych, obserwacje w różnych dziedzinach widma, dokonywane przez dostatecznie długi okres, mogą doprowadzić do pełniejszego poznania przebiegu badanego zjawiska. Z tego powo­du ostatnio coraz rzadziej można wiązać odkrycie astronomiczne z określonym nazwiskiem badacza, coraz częściej jest ono wyni­kiem pracy zespołów, często pracujących w różnych krajach.

Równorzędną rolę z obserwacjami odgrywają w astronomii ba­dania teoretyczne. Ich celem jest wyjaśnienie przyczyn obser­wowanych zjawisk, wzajemnych powiązań między nimi, zrozu­mienie budowy i ewolucji badanych obiektów. Konieczna jest tu umiejętność właściwego uwzględnienia wszystkich czynników decydujących o przebiegu badanego zjawiska i w celu uproszcze­nia analizy pominięcie drugorzędnych, których wpływ musi być jednak wzięty pod uwagę podczas konfrontacji teorii z obserwa­cjami.

Często stosowanym zabiegiem w badaniach teoretycznych jest stworzenie modelu. Model to uproszczony, zgodny z aktualną wiedzą fizyczną opis podający związki między najważniejszymi wielkościami charakteryzującymi rozpatrywane zjawisko lub badany obiekt. W astronomii najczęściej stosuje się modele matematyczne. Należą do nich np. modele gwiazd, galaktyk, Wszechświata, modele plam słonecznych i ruchu ośrodka mię­dzyplanetarnego. Punkt wyjścia do stworzenia modelu stanowią obserwacje zjawiska, które dostarczają rozeznania, jakie procesy fizyczne są istotne w rozważanym przypadku. Zapis tych pro­cesów w postaci równań i wzorów to krok następny. W celu roz­wiązania otrzymanych równań stosuje się obecnie maszyny ma­tematyczne tak szeroko, iż stały się one instrumentem współczes­nego astronoma w nie mniejszej mierze, niż był nim od dawna i jest obecnie teleskop. Jednak dopiero zgodność modelu z obse­rwacjami może świadczyć o jego poprawności i słuszności poczy­nionych przy jego konstrukcji założeń. Powinien on wyjaśniać (z założoną z góry dokładnością) wszystkie obserwowane fakty. Is­tnienie modelu umożliwia pełniejsze zrozumienie badanego zja­wiska, a jednocześnie, co nie mniej ważne, przewidywanie nowych faktów, których zaobserwowanie może służyć do potwierdzenia i dalszego uściślenia modelu bądź też do jego odrzucenia. To wzajemne splecenie badań obserwacyjnych z teoretycznymi sta­nowi jedną z najważniejszych cech współczesnej astronomii.

Nieodłącznym elementem rozwoju teorii astronomicznych jest stawianie hipotez. Pojawiają się one przy wszelkich pró­bach wyjaśnienia powstania obiektów astronomicznych: Układu Planetarnego, gwiazd, galaktyk, a nawet całego Wszechświata, ale występują także w innych zagadnieniach. Hipotezy tworzy się wtedy, gdy posiadane informacje o zjawisku nie wystarczają do jego opisu (np. do stworzenia jego modelu). Wówczas czyni się dodatkowe założenia — przypuszczenia, które uzupełniają ten zbiór informacji. Tak powstaje hipoteza. Wymaga ona jeszcze weryfikacji — konfrontacji płynących z niej wniosków z obser­wacjami. Gdy wnioski te są z obserwacjami sprzeczne, hipoteza zostaje odrzucona, w przeciwnym przypadku prawdopodobień­stwo jej słuszności rośnie, nigdy jednak hipoteza nie może być w ten sposób udowodniona w pełni, ponieważ poprawność wnio­sków nie pociąga za sobą słuszności założenia, którym jest prze­cież hipoteza (gdyż z błędnych założeń mogą wynikać prawdziwe wnioski).

Warunkiem koniecznym oceny naszych wiadomości astrono­micznych jest zdolność rozróżniania tego, co w nich jest wynikiem pomiaru, obserwacji lub dobrze ugruntowanej teorii, a co jedynie hipotezą, roboczym przypuszczeniem. Dlatego w tej książce Czytelnik napotka omówienie wielu problemów związanych z metodami badań astronomicznych. Będą one prze­platać się z opisem samych obiektów, a właściwie tego, co stanowi główny przedmiot książki — procesów zachodzących we Wszechświecie: tych o wielkiej skali, rozgrywających się przez miliardy lat w obszarach zawierających jako drobną zaledwie część wszystko to, co widzimy na niebie; i tych rozgrywa­jących się w skali mikro, wewnątrz niedostrzegalnego jądra atomowego, procesów, które umożliwiły egzystencję człowieka na Ziemi i warunkować będą rozwój ludzkości. Będziemy się starali spojrzeć na Wszechświat jak na laboratorium, w któ­rym rozgrywa się mnogość wzajemnie powiązanych zjawisk, jak na tygiel, w którym stale wytapia się otaczająca nas rzeczywi­stość.

Rozdział pierwszy

ŚWIATŁO NOŚNIKIEM INFORMACJI

Skąd mamy wiadomości o Wszechświecie?

Każdy z nas wiele razy widział „spadające gwiazdy”. Gdy w bezchmurną noc przez mgnienie oka przemyka po rozgwie­żdżonym niebie świecący punkt, próbujemy, jak każe tradycja, przypomnieć sobie nasze najskrytsze pragnienie. Mówią, że ży­czenie ziści się, gdy to się uda. Lecz zwykle szybciej gaśnie „gwiazda”. Pewnie dlatego pragnienia tak rzadko się spełniają. Zjawisko „gwiazdy spadającej” to przelot przez atmosferę zie­mską meteoru — kamiennej lub żeliwnej bryłki, która z prze­strzeni kosmicznej z dużą prędkością wpadła w atmosferę. Większość tych przybyszów z kosmosu wskutek znacznego ogrza­nia w atmosferze wyparowuje lub rozpada się na drobne kawałki jeszcze wysoko w powietrzu. Część jednak dociera do Ziemi. Odnajdujemy je potem w różnych okolicach, najczęściej pod powierzchnią gruntu, gdzie zaryły się podczas uderzenia o Zie­mię. Niejednokrotnie napotykamy je we wnętrzu lub w okoli­cach lejowatych zagłębień kraterów meteorytowych. Bywają różnych wielkości — od dużych brył skalnych po najdrobniejszy pył żeliwny z trudem dający się odcedzić od gleby. Te dociera­jące do Ziemi okruchy ciał niebieskich są jednym ze źródeł infor­macji o Wszechświecie. Badania ich składu chemicznego i struk­tury krystalicznej były do niedawna jedynymi tego rodzaju bez­pośrednimi badaniami ciał niebieskich.

Rozwój astronautyki umożliwił bardziej aktywny sposób bada­nia ciał niebieskich. Obecnie człowiek był już na Księżycu, apa­ratura badawcza dotarła na Marsa i Wenus. Przy jej użyciu poznawane są warunki panujące na tych ciałach, badana struk­tura ich powierzchni. Merkury, Jowisz i Saturn oglądane były już z bliska „oczyma” kamer próbników kosmicznych. Lecące

11

\

w przestrzeni międzyplanetarnej sondy kosmiczne dostarczyły mnóstwo informacji o rozproszonej tam materii. Ale tego ro­dzaju bezpośrednie badania ciał niebieskich ograniczone są do sąsiedztwa Ziemi — do obiektów naszego Układu Planetarnego.

Także innego rodzaju przybysze z kosmosu są przedmiotem zainteresowania astronomów, geofizyków i fizyków. Promienio­wanie kosmiczne wdzierające się w atmosferę ziemską wywołuje kaskadę cząstek, której ostatni stopień można obserwować przy powierzchni Ziemi. Błądzące w międzygwiezdnej przestrzeni cząstki o wysokich energiach przebijają się przez gaz i mię­dzyplanetarne pole magnetyczne, pokonują barierę magneto- sfery Ziemi i wnikają w atmosferę. Niosą one w sobie informacje

o              warunkach energetycznych panujących w odległych obszarach Wszechświata.

Ale najbogatszy zasób wiadomości o Wszechświecie zawarty jest w promieniowaniu elektromagnetycznym docierającym do Ziemi ze wszystkich kierunków. Część tego promieniowania to promieniowanie widzialne — światło — dostrzegane przez czło­wieka gołym okiem. Informacje zakodowane w świetle od tysiąc­leci skrzętnie były zbierane przez astronomów. Rozwój techniki ra­diowej rozszerzył obserwacje astronomiczne na fale o długościach centymetrów i metrów, a stworzone przez astronautykę możliwości badań spoza ziemskiej atmosfery — na pozostałe zakresy widma ele-> ktromagnetycznego. Obecnie prowadzone badania obejmują wszy­stkie rodzaje promieniowania elektromagnetycznego: od promie­niowania gamma (7) i rentgenowskiego po długofalowe promienio­wanie radiowe. Te same ciała niebieskie, które dawniej ogląda­liśmy jedynie przyrządami optycznymi, teraz okazują się radio­źródłami, które jak naturalne radiostacje emitują w przestrzeń swój „program radiowy”, lub też okazują się źródłami promie­niowania X, takiego, jakiego używają lekarze do wykonywania zdjęć wewnętrznych narządów człowieka. Zyskaliśmy dzięki temu jakościowo nowy sposób widzenia tych ciał, ich obraz stał się w pewnym sensie wielowarstwowy, niejako stereoskopowy. Ist­nienia niektórych typów ciał niebieskich nawet nie domyślaliśmy się wtedy, gdy nasze wyobrażenia o Wszechświecie kształtowane były jedynie przez to, co nasze oczy uzbrojone nawet w telesko­py były w stanie ujrzeć. Niektóre obiekty o niewielkiej jasności

promieniowania optycznego, nie wyróżniające się spośród milia­rdów podobnych, odkrywano jako silne radioźródła lub źródła promieniowania rentgenowskiego. I dopiero te odkrycia zwracały uwagę na ich nietypowość, odmienność od pozornie podobnych

—              znanych, gdy ograniczano się do badań w jednym tylko za­kresie widma promieniowania elektromagnetycznego. W ten spo­sób dokonano największych odkryć astronomicznych ostatniego trzydziestolecia.

Czym jest światło? Jaka jest jego natura? Wydawałoby się, że na tak podstawowe pytania odpowiedź powinna być prosta i jednoznaczna. Zwłaszcza iż odnosi się ona do jednego z naj­powszechniej występujących zjawisk świata materialnego. Jakże wielką gamę wrażeń i informacji odbieramy oczyma! Światło stale atakuje nasz zmysł wzroku i przynosi bardzo ścisłe dane zarówno o tym, co dzieje się blisko, tuż koło nas, w zasięgu ręki, jak i miliony kilometrów od nas lub jeszcze dalej, na odległych gwiazdach. A jednak odpowiedź na postawione wyżej pytanie nie jest łatwa.

Wiele właściwości światła można opisać traktując je jako falę. We wszystkich kierunkach od źródła światła rozchodzą się fale elektromagnetyczne o różnych długościach. Prostopadłe nawza­jem do siebie oraz do kierunku rozchodzenia się fali drgania wektorów natężenia pola magnetycznego i elektrycznego przy­pominają drgania cząsteczek wody na jeziorze, do którego wrzu­cono kamień. Fale takie rozchodzą się w próżni z prędkością ok. 300 tys. km/s (prędkość światła) względem obserwatora — niezależnie od prędkości i kierunku ruchu tego obserwatora w przestrzeni. Przy użyciu takiego falowego opisu można wyjaśnić wiele właściwości światła, np. zjawisko interferencji światła prze­chodzącego przez szczeliny oświetlone przez odległe źródło (rys. 1), zjawisko ugięcia promieniowania świetlnego na przeszko­dzie, zjawiska załamania lub odbicia się światła.

Amplitudy drgań wektorów elektrycznego i magnetycznego są miarą oświetlenia docierającym promieniowaniem. Jaśniejsze

Promieniowanie elektromagnetyczne

4 W \ \

13

źródła emitują fale elektromagnetyczne o większej amplitudzie. Drugą cechą fali elektromagnetycznej jest jej długość, tzn. odle­głość między dwoma kolejnymi punktami na drodze promienio­wania, w których którykolwiek z wektorów — elektryczny lub magnetyczny — osiąga maksymalną wartość o tym samym zwro­cie. Długość fali | związana jest prostym związkiem:

Xv «=■ c

z częstością fali v, która równa jest liczbie drgań wektora elektry­cznego (lub magnetycznego) danego promieniowania w jedno­stce czasu, np. w ciągu 1 s; c w tym wzorze oznacza prędkość światła. Widzimy więc, że określoną falę elektromagnetyczną możemy opisać podając bądź jej długość, bądź jej częstość. Długości fal promieniowania widzialnego zawierają się w grani­cach od ok. 0,4 (im do ok. 0,8 nm (1 |im = 10-6 m). Często dłu­gości fal świetlnych wyraża się w angstremach (1 A g 10-10 m); wyrażone w tych jednostkach długości fal widzialnych zawierają się w przedziale od 4000A do 8000A. Człowiek widzi promienio­wanie o różnej długości fali jako światło o różnej barwie. Fale krót­

kie (w pobliżu dolnej granicy podanego wyżej przedziału) cechuje światło niebieskie, fale długie — światło czerwone; pomiędzy tymi skrajnymi barwami rozciąga się pełna gama barw tęczy. Ale nie wszystkie fale elektromagnetyczne są widzialne. Te, któ­rych długości nie należą do podanego przedziału, mogą być wy­krywane dopiero przy użyciu odpowiednich przyrządów. Pro­mieniowanie o długościach fali krótszych od widzialnego to pro­mieniowanie nadfioletowe (0,01 |j.m — 0,4 (im), promieniowanie X (rentgenowskie) (0,0001 (im — 0,01 (j.m) i jeszcze bardziej krótkofalowe promieniowanie y. Większą niż widzialne długość fali ma promieniowanie podczerwone (0,8 ¡xm — 1000 ¡im); w tym właśnie zakresie widma emitują najwydatniej ciała w tempera­turze pokojowej oraz promieniowanie radiowe. Oczywiście gra­nice między kolejnymi zakresami widma przyjęte są umownie. Przedstawiony podział widma, używany w astronomii, dokonany został ze względu na odmienność technik obserwacyjnych sto­sowanych w poszczególnych zakresach. Podział ten przedstawio­ny jest schematycznie na rys. 2.

k ■ 20 ^ ^ 17 16 ęij>13 12 11 10 9 8 7              y [10* Hd

1=6 5 j| 3 12 1 j||0 -1 -2 (-3 -A -5 -6 -7              E HO1 eVJ

jarom*- I promie- j ||i I!              i . .

nkwanie I nkwanie I flo!ef j|‘ podczerwień * promieniowanie radowe

r i x i II              i

1 1 i ' ,

SI -1j -1j)              -8 -| |S              -« -3 -2 -1 0 12 jtio* ml

m 1 -1 O 1 2 3 | 5 6 7 8 9 10 11 fi              110* A ]

Rys. 2. Zakresy widma promieniowania elektromagnetycznego

Drgania wektora elektrycznego fali elektromagnetycznej mo­gą zachodzić w jednej płaszczyźnie (odpowiednio wektor magne­tyczny drga wówczas w płaszczyźnie prostopadłej). Mówimy wtedy, iż prorńieniowanie jest spolaryzowane liniowo. Polaryzację światła możemy wykryć, gdy przepuścimy je prz...