Kosmos

Z Hubble’em w kosmos

Numer 5/2020
Czwarta serwisowa misja (STS-109) teleskopu Hubble’a zrealizowana przez załogę wahadłowca Columbia, 2002 r. Podczas niej astronauci przebywali w przestrzeni kosmicznej łącznie 36 godz. Czwarta serwisowa misja (STS-109) teleskopu Hubble’a zrealizowana przez załogę wahadłowca Columbia, 2002 r. Podczas niej astronauci przebywali w przestrzeni kosmicznej łącznie 36 godz. Wikimedia Commons
Mija dokładnie 30 lat od chwili, gdy dwie największe agencje kosmiczne świata – NASA i ESA – wyniosły na orbitę najwspanialszy teleskop w dziejach, czyli Kosmiczny Teleskop Hubble’a. Ale opowieść o nim ma swój początek setki lat wcześniej.
Immanuel KantNicku/Shutterstock Immanuel Kant
Edwin HubbleWikimedia Commons Edwin Hubble
Rysunek ukazujący ekspansję wszechświata.Designua/Shutterstock Rysunek ukazujący ekspansję wszechświata.

A dokładnie mówiąc, zaczyna się w 1755 r., kiedy to genialny niemiecki filozof Immanuel Kant opublikował dzieło pt. „Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels” („Ogólna historia przyrody i teoria nieba”), które okazało się jednym z ważniejszych w historii dociekań naukowych o naturze i kosmosie. W tych czasach o kosmosie nie wiedzieliśmy prawie nic poza tym, że istnieje Droga Mleczna, czyli nasza Galaktyka, i że planety Układu Słonecznego obracają się wokół Słońca. Kant zaproponował zupełnie inne spojrzenie na świat, a właściwie wszechświat. Żaden inny filozof, może poza Mikołajem z Kuzy, nie przedstawił nigdy wcześniej tak śmiałych i – jak okazuje się teraz – trafnych poglądów na temat kosmosu.

To Kant pierwszy uznał, że kosmos to coś znacznie większego niż nasza Galaktyka i że całą jego strukturę generuje siła przyciągania materii, czyli grawitacja. To grawitacja zagęszcza materię w takie skupiska jak Układ Słoneczny i Galaktyka, ale poza naszą Drogą Mleczną istnieje bezmiar odrębnych struktur podobnych do niej, a nawet większych. Tę hipotezę kosmologiczną nazwano z czasem tzw. wszechświatem wyspowym. Ten śmiały pomysł z połowy XVIII w. z Królewca przedstawia dokładnie taki obraz kosmosu, jaki mamy dzisiaj.

Zdumiewające jest, skąd Immanuel Kant, który spędził całe swoje życie w prowincjonalnym Królewcu i nie posiadał nawet teleskopu, a poza tym dociekania kosmiczne wcale nie były głównym przedmiotem jego naukowych zainteresowań, mógł o tym wszystkim wiedzieć. Skąd brała się jego intuicja w tych kwestiach? Jak doszedł do swoich wniosków, którymi dosłownie przeskoczył z połowy XVIII w. wprost w naukę współczesną? Na te pytania pewnie nie odpowiemy nigdy.

Na scenę wkracza Edwin Hubble

Hipoteza Kanta nie znalazła uznania. Przez niemal 200 kolejnych lat astronomowie wciąż traktowali naszą Galaktykę jako cały wszechświat, chociaż było wśród nich wielu naprawdę wybitnych uczonych, jak William Herschel, Charles Messier, Pierre Méchain czy John Dreyer. Wszyscy oni znali dobrze niebo, potrafili je obserwować i odkrywali coraz więcej ciał niebieskich. Problemem były tzw. obiekty mgławicowe, czyli nie planety, nie gwiazdy i nie ich gromady, lecz plamkowe, rozmyte i dość duże optycznie skupiska materii, których natury jeszcze wtedy nie znano. Wspomniani uczeni odkryli i skatalogowali tysiące takich obiektów i w końcu wielu badaczy nieba zaczęło zadawać to samo ważne pytanie: czy wszystkie one istotnie należą do naszej Galaktyki, czy może leżą dalej, poza nią.

Dla ścisłości: mgławice – czy to planetarne, a więc powstałe po zakończeniu ewolucji gwiazd podobnych do Słońca, czy typowo gazowe, które są oświetlanymi blaskiem gwiazd obszarami gazu i pyłu – istnieją w naszej Galaktyce i jest ich wiele. Jednak duża część z tych wciąż odkrywanych przez wymienionych wyżej astronomów różniła się zarówno wyglądem, jak i emitowanym światłem. Wiele miało np. wyraźną spiralną strukturę. Czy należą do naszej Galaktyki? – pytano. Problem miał dwa źródła. Otóż astronomowie aż do początku XX w. nie potrafili dokładnie określić ani wielkości Drogi Mlecznej, ani odległości do wciąż odkrywanych mgławic. W związku z tym wszystkie pakowano do wspólnego, czyli naszego galaktycznego worka.

Sprawa znalazła w końcu swój finał w Wielkiej Debacie. Odbyła się ona w 1920 r. w Muzeum Historii Naturalnej w Waszyngtonie. Uczestniczyło w niej dwóch znanych i wpływowych astronomów – Harlow Shapley i Heber Curtis. Pierwszy stał na stanowisku, że cały obserwowany przez nas kosmos to jeden twór, czyli nasza Galaktyka. Zresztą wcześniej dość prawidłowo wyliczył jej rozmiary. Z kolei Curtis uważał, że rację miał Kant i że to, co widzimy na niebie, to właśnie jego wyspowy wszechświat. Wciąż odkrywane nowe mgławice spiralne to obce i dalekie galaktyki. Debata była głośna i przeszła do historii, jednak nie zakończyła się rozstrzygnięciem w 1920 r. Finał polegał w pewnym sensie na tym, że wreszcie postawiono tę kwestię na ostrzu noża. Czyli: jest albo tak, albo tak i to, którą wersję uznamy za prawdziwą, całkowicie zdeterminuje nasz pogląd na cały kosmos.

Jednak prawdziwy, czyli rozstrzygający, finał nastąpił dopiero cztery lata później. Do gry wkroczył wówczas astronomiczny geniusz, Amerykanin Edwin Hubble, który w 1924 r. dowiódł ponad wszelką wątpliwość, jak duży i przede wszystkim jak zbudowany jest wszechświat; od tego właśnie roku zaczęła się era współczesnej nauki o niebie. Hubble był bardzo wykształconym i aktywnym człowiekiem, także na niwie sportu, był też absolwentem wydziału prawa University of Oxford, jednak do historii przeszedł jako wybitny astronom. W 1919 r. rozpoczął pracę w Obserwatorium Mount Wilson w Kalifornii, w którym pracował już największy wtedy na świecie teleskop Hookera. Dzięki obserwacjom przez ten teleskop Hubble odkrył w dwóch sąsiadujących z nami galaktykach, wtedy branych jeszcze za mgławice spiralne leżące w obrębie naszej Galaktyki – czyli w ogromnej Andromedzie oraz mniejszej galaktyce Trójkąta – cefeidy, czyli gwiazdy zmienne pulsujące (to olbrzymie gwiazdy, które bardzo regularnie zmieniają swoją jasność). Na podstawie relacji między okresem pulsacji tych gwiazd a ich jasnością zdołał obliczyć, w jakiej odległości od nas się znajdują. Odległości te okazały się ogromne, znacznie większe niż rozmiary całej naszej Galaktyki (i Andromeda, i galaktyka Trójkąta leżą ponad 2,5 mln l.ś. od Ziemi). To ostatecznie przesądziło o wyniku Wielkiej Debaty. Zaobserwowane cefeidy na pewno istnieją w obcych galaktykach i to, co braliśmy do tej pory za mgławice spiralne, leżące w obrębie Drogi Mlecznej, to właśnie one, te obce galaktyczne struktury – tego dowiódł Hubble. Heber Curtis, ale przede wszystkim Immanuel Kant, mieli rację.

Hubble leci w kosmos

To jednak nie wszystko. W 1929 r. Edwin Hubble wraz z Miltonem Humasonem nie tylko odkryli – choć dwa lata wcześniej postulat taki wysunął belgijski astronom Georges Lemaître – ale przede wszystkim wyliczyli zależność między odległościami dzielącymi galaktyki oraz prędkościami, z jakimi się od siebie oddalają. Zależność tę nazywamy dzisiaj stałą lub prawem Hubble’a. Jest ona matematyczną interpretacją zjawiska nazywanego ucieczką galaktyk. Wiadomo, że światło niemal wszystkich obserwowanych galaktyk jest przesunięte ku czerwieni. Im większa odległość dzieli galaktyki, tym przesunięcie to jest większe. Zjawisko się nasila, co oznacza, że im dalej od siebie są, tym coraz szybciej oddalają się od siebie – czyli generalnie wszechświat się rozszerza. Skoro tak, to obserwowane galaktyki musiały być kiedyś bliżej siebie, a bardzo dawno temu – tuż przy sobie, niemal w tym samym miejscu. Stąd zrodziła się koncepcja Wielkiego Wybuchu (Georges Lemaître i George Gamow), będącego źródłem rozszerzania się wszechświata, i tak też narodziły się współczesna astronomia, astrofizyka i kosmologia.

Stała Hubble’a mówi o tym, jak szybko wszechświat się rozszerza, a dokładnie – o ile kilometrów co sekundę rośnie (pęcznieje) każdy megaparsek przestrzeni (megaparsek to milion parseków, a parsek to 3,26 l.ś.). Początkowo wyznaczano tę stałą na kilkaset kilometrów na sekundę w megaparseku, ale potem stwierdzono, że wartość ta jest istotnie mniejsza – czyli kilkadziesiąt kilometrów na sekundę. Jej dokładne obliczenie okazało się bardzo trudne. Stąd zrodził się pomysł, by wysłać na orbitę teleskop kosmiczny, który pomoże dokładnie określić wartość stałej. I tak się stało – nakładem wielkich środków i po latach przygotowań powstał taki teleskop, nazwano go imieniem Edwina Hubble’a i umieszczono na orbicie 24 kwietnia 1990 r. Od tego momentu ludzkość uzyskała jedno z najważniejszych narzędzi obserwacyjnych w historii astronomii. Swoje główne zadanie teleskop wykonał po kilku latach pracy: obserwując setki cefeid, wyznaczył prędkość stałej Hubble’a na 74,2 km na sekundę na megaparsek. Późniejsze wyliczenia pochodzące z innych sond i obserwatoriów kosmicznych (WMAP, Spitzer czy Planck) dały wartości nieco niższe, a najniższa pochodzi z bardzo dokładnych obliczeń wykonanych przez sondę Planck w 2013 r. Ustalono wówczas jej wartość na 67,15 km na sekundę na megaparsek.

Z kolei dwa lata temu grupa uczonych skupiona w międzynarodowym programie badawczym H0LiCOW, kierowana przez astrofizyk Sherry Suyu z Max-Planck-Institut w Niemczech, ustaliła z niezwykłą precyzją – i dość niezwykłą metodą – jeszcze inną wartość stałej Hubble’a – wynosi ona 71,9 km na sekundę na megaparsek z maleńkim marginesem w jedną lub w drugą stronę. Badacze ci wykorzystali tzw. soczewki grawitacyjne, by zbadać dokładnie światło przychodzące do nas z bardzo odległych kwazarów i w ten sposób zmierzyć, jak szybko wszechświat się rozszerza. Ale 67 km/s na megaparsek, a prawie 72 to spora różnica. Skąd te rozbieżności? Ponieważ od 1998 r. wiemy też, że wszechświat rozszerza się coraz szybciej, naukowcy doszli do wniosku, że stała Hubble’a nie jest w istocie stałą, lecz zmienną, której wartość zależy od upływu czasu. Dlatego sonda Planck, badająca bardzo młody wszechświat – dokładnie okres, gdy powstało tzw. reliktowe promieniowanie tła, czyli zanim utworzyły się pierwsze gwiazdy i galaktyki – wyznaczyła niższą wartość stałej Hubble’a i dlatego misje badające tempo rozszerzania się późniejszego wszechświata dały wartości wyższe. Niegdyś wszechświat rozszerzał się zdecydowanie wolniej, potem tempo to rosło i wciąż wzrasta. Stąd zmienność wyników prawa Hubble’a. Wynika ona z czasu trwania wszechświata, w którym stała jest mierzona.

Stary dobry Hubble

Oczywiście Kosmiczny Teleskop Hubble’a nie poprzestał na obliczaniu wartości stałej Hubble’a. Dokonał ponad milion fascynujących obserwacji, zwłaszcza obiektów dalekich, a więc galaktyk, kolizji galaktyk, gromad galaktyk, kwazarów, wybuchów supernowych itd. Zajrzał najdalej, jak to możliwe. Uzyskał zdjęcia nieobserwowalnych wcześniej, bo najdalszych obszarów wszechświata, czyli tzw. Głębokiego Pola Hubble’a, Ultragłębokiego Pola Hubble’a i Ekstremalnie Głębokiego Pola Hubble’a. To ostatnie zawiera ponad 5 tys. galaktyk, a najodleglejsze z nich leżą 13,2 mld l.ś. od nas, czyli w czasach, gdy wszechświat był w wieku niemowlęcym. Sam obraz tego skupiska naprawdę robi wrażenie.

Niestety teleskop Hubble’a jest już bardzo wysłużony i należy poważnie myśleć o jego następcy; istnieją już takie plany. Zresztą był najczęściej serwisowanym urządzeniem działającym w przestrzeni kosmicznej. W sumie zorganizowano do niego aż pięć misji serwisowych, realizowanych przez wahadłowce NASA. Pierwsza odbyła się już w 1993 r. – jej zadaniem było usunięcie wadliwego profilu głównego zwierciadła teleskopu, ostatniej dokonano w roku 2009. Jednak teleskop wciąż potrzebuje nowych ingerencji. Dwa lata temu doszło do awarii jednego z żyroskopów nakierowujących go na wybierane do obserwacji obiekty astronomiczne. Usterkę udało się usunąć zdalnie, z Ziemi. Na początku ub.r. pojawiły się też problemy z jego telemetrią, ale przezwyciężono je i Hubble mógł wrócić do pracy. Prawdopodobnie będzie szwankował coraz częściej, choć wciąż pracuje, a po ostatniej misji serwisowej z 2009 r. szacowano, że będzie mógł wykonywać swoje zadania bez większych przeszkód mniej więcej jeszcze przez 6 lat. Tymczasem Hubble wciąż działa i obserwuje dla nas kosmos.

Przemek Berg
dziennikarz naukowy, związany na stałe z redakcją tygodnika „Polityka”

01.05.2020 Numer 5/2020

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną