Patrzeć, błądzić i różnić się
Spotkanie zatytułowane przez uczonych "Skala Wszechświata" przeszło do historii nauki jako "Wielka Debata" z racji doniosłości poruszonych tam zagadnień. Kluczowymi kwestiami poddanymi dyskusji były rozmiary naszej galaktyki i umiejscowienie Układu Słonecznego w jej obrębie, a także określenie, czym są tzw. mgławice spiralne - czy to obłoki gazowe wewnątrz Drogi Mlecznej, czy też inne, bardzo odległe galaktyki.
Wielka Debata była kulminacją sporów trwających co najmniej od kilku wieków, ale sama nie przyniosła żadnych rozstrzygnięć. W poszczególnych kwestiach obaj dyskutanci mieli całkowicie przeciwne zdania i obaj przy nich pozostali. Dopiero odkrycia kolejnych lat dały jednoznaczne odpowiedzi na pytania, które towarzyszyły debacie. Okazało się, że adwersarze częściowo mieli rację, a częściowo bardzo się mylili.
Nie było w tym ich winy ani zasługi. Po prostu używane wówczas (i przez kilka poprzednich stuleci) przyrządy astronomiczne nie pozwalały na tak precyzyjną obserwację, by rozwiać wszelkiej wątpliwości. Zapisy obserwacji, z których mogli korzystać, były fragmentaryczne i sprzeczne. Trzeba było poczekać do 1924 roku, gdy Edwin Hubble, korzystając z najnowocześniejszego teleskopu Hookera na szczycie Mount Wilson w Kalifornii, dostrzegł w końcu niezaprzeczalne dowody naukowe na istnienie innych galaktyk poza naszą.
Wielka Debata przeszła do historii nie jako znaczący przełom w kosmologii, lecz jako przestroga dla wszystkich osób zajmujących się wyciąganiem naukowych wniosków z danych dostępnych w danym momencie dziejowym, a jednocześnie dowód, że nawet najściślejsza metoda naukowa nie może obejść się bez wyobraźni, spekulacji czy pójścia pod prąd powszechnej opinii. Tak pojęte dziedzictwo owego spotkania z 1920 roku jest aktualne również dziś.
***
Czytaj więcej:
***
Zagadka mgławic
Astronomowie już dawno zauważyli, że na nocnym niebie oprócz księżyca oraz wyraźnych świecących punktów - gwiazd - jest jeszcze sporo mglistych obszarów, wprawdzie także jaśniejących, ale o nieostrych granicach. Największy z nich, ciągnący się w formie wstęgi przez całe niebo, nazwano Drogą Mleczną. Ogólnie tego typu miejsca na niebie nazwano mgławicami, ale nie zajmowano się nimi w przeświadczeniu, że to jakieś zjawisko atmosferyczne.
Nawet Droga Mleczna nie interesowała żadnego astronoma. Zarówno Ptolemeusz, jak i Kopernik ledwie o niej wspomnieli. Oczywiście ich dociekania dotyczyły przede wszystkim modeli układu najbliższych nam ciał niebieskich, ale gdyby tylko wiedzieli, czym jest owa długa "mgławica", z pewnością wprowadziłoby to wiele zamieszania w ich obrazie świata (choć Kopernik przyjąłby tę wiedzę z radością). Przecież dawny Wszechświat był niezwykle mały - w praktyce pojmowano go właśnie w granicach Układu Słonecznego. Droga Mleczna nie miała swojego miejsca ani w modelu geocentrycznym, ani heliocentrycznym.
Dopiero Galileusz dzięki swojej lunecie zauważył około 1609 roku, że "mgła" tworząca Drogę Mleczną to mozaika, którą tworzą "tak liczne gwiazdy, że trudno w to uwierzyć". To jednak było łatwe, bo gwiazdy te znajdują się w naszej galaktyce, a więc względnie blisko. Pozostałe dziesiątki mgławic rozsianych poza płaszczyzną Drogi Mlecznej wciąż wyglądały jak rozmyte obłoki.
Jedyny postęp w sprawie mgławic dotyczył sporządzania coraz obszerniejszych katalogów tego rodzaju obiektów, których dostrzegano więcej dzięki nowocześniejszym teleskopom. Pod koniec XVIII wieku najpełniejszą listę stworzył Charles Messier, który jednak wcale nie zajmował się mgławicami, tylko kometami, a jego zbiór miał pomóc innym obserwatorom, którzy mogliby mylić jedne obiekty z drugimi.
Oznaczenia z katalogu Messiera (uzupełnianego jeszcze długo po jego śmierci) są używane do dziś - to lista mgławic o nazwach od M1 do M110. Sam astronom nie wiedział jednak tego, co wiemy dziś: mgławice z jego zbioru należą do czterech klas całkowicie różnych obiektów, z których około trzecia część to odległe galaktyki, reszta zaś to istotnie obłoki gazu bądź gromady gęsto "upakowanych" gwiazd położone w obrębie Drogi Mlecznej.
***
Czytaj więcej:
***
Coraz więcej, coraz dalej
Już niebawem katalog mgławic powiększył się wielokrotnie za sprawą brytyjsko-niemieckiego Williama Herschela (odkrywcy Urana), a potem jego syna Johna. Ich praca nad rozwojem przyrządów optycznych i systematyczne przeglądy nieba na obu półkulach Ziemi zakończyły się sporządzeniem listy wielu tysięcy mgławic, lecz także oni nie wnieśli niczego nowego do zrozumienia, czym są te obiekty.
William Herschel początkowo spekulował wprawdzie o pozagalaktycznym pochodzeniu niektórych mgławic, ale z biegiem czasu wycofywał się z tych hipotez. Nawet największy teleskop jego czasów - skonstruowany zresztą przez niego samego - nie był na tyle potężny, by dało się z jego pomocą wyróżnić jakiekolwiek osobne świecące obiekty z płaszczyzny mgławic. Herschel uczciwie przyznawał więc, że wcześniej poniosła go wyobraźnia, choć z pewnością w przypadku niektórych obiektów ponad sto lat później historia przyznała mu rację.
W 1845 roku w irlandzkim Parsonstown hrabia William Parsons, lord Rosse, sfinansował budowę ogromnego "potwora" - był to wysoki na 17 metrów, posiadający ważące 4 tony lustro o średnicy 180 centymetrów teleskop nazwany z racji swych rozmiarów "Lewiatanem". Był tak ciężki, że musiał być z dwóch stron podtrzymywany przez dwie grube ściany o wysokości 19 metrów. Przez niemal 75 lat - aż do powstania wspomnianego na początku teleskopu Hookera - był to najpotężniejszy instrument obserwacyjny na świecie.
Lewiatan faktycznie pozwalał sięgnąć wzrokiem dalej niż dotychczas, ale wciąż nie dało się zobaczyć w mgławicach nic poza mglistymi obszarami. Lord Rosse jednak był tak bardzo przekonany, że zobaczy tam wyróżniającego się z rozmytego tła gwiazdy, że faktycznie je "zobaczył". Zaczął wówczas rozpowszechniać błędny pogląd, że wszystkie mgławice bez wyjątku zbudowane są z oddzielnych gwiazd. Wielu astronomów temu przyklasnęło, tak bardzo chciano "pozbyć się" z nieba jakichś dziwnych obiektów, które nie są gwiazdami, planetami bądź księżycami.
Zarazem w Parsonstown udało się po raz pierwszy zaobserwować, że część mgławic ma strukturę spiralną, choć w nich akurat nawet przy użyciu Lewiatana lord Rosse nie umiał dopatrzyć się gwiazd. Nie wiedział oczywiście, że patrzy na galaktyki, które są zbyt odległe, by jego przyrząd pozwolił dostrzec szczegóły. Tymczasem część zagadki mgławic udało się rozwiązać wcale nie dzięki ogromnym zwierciadłom, tylko dzięki niepozornemu urządzeniu zwanemu "spektroskopem".
***
Czytaj więcej:
***
"Wszechświaty wyspowe"?
Spektroskop wynaleziono w 1863 roku. Rok później brytyjski astronom, połączywszy ten przyrząd ze skromnym teleskopem o średnicy 20 cm, odkrył, że niektóre z mgławic mają widma promieniowania typowe dla gwiazd, inne zaś wykazują widma charakterystyczne dla świecących gazów. W ten sposób po wielu wiekach dociekań udało się w końcu dokonać rozróżnienia mgławic na te, które złożone są z setek tysięcy gwiazd (gromady otwarte i gromady kuliste), oraz inne obiekty, takie jak mgławice planetarne i mgławice rozpraszające (refleksyjne).
Część mgławic wciąż jednak pozostała zagadką. Natężenie światła z nich pochodzącego było bowiem zbyt słabe, by z pomocą spektroskopu dało się właściwie określić widmo (albo też widmo to nie przypominało widm znanych wówczas gwiazd lub mgławic rozpraszających). Były to właśnie mgławice spiralne, które 60 lat później dzięki pracy Hubble'a okazały się innymi galaktykami.
Na razie jednak większość środowiska astronomicznego przyklasnęła hipotezie, że mgławice spiralne to położone stosunkowo blisko nas wiry gazowe tworzące się w procesie formowania nowych gwiazd i układów planetarnych. Ich zdaniem przemawiał za tym fakt, że mimo użycia wszelkich dostępnych aparatów obserwacyjnych wyglądało, że nie ma tam oddzielnych gwiazd ani obłoków gazu.
Nieliczni skłaniali się ku hipotezie odległych "wszechświatów wyspowych". Termin te ukuł jeszcze Immanuel Kant w 1755 roku, który, choć opierał się na niepełnych danych obserwacyjnych, wysnuł dalekowzroczną teorię o istnieniu w Kosmosie galaktyk podobnej do naszej. Przypuszczenie to oparł na twierdzeniu, że Droga Mleczna (wówczas rozumiana jako Wszechświat) ma kształt eliptyczny, więc eliptyczne mgławice to na pewno inne "wszechświaty", ochrzczone przez niego "wyspowymi" (bo leżącymi z dala od "właściwego" Wszechświata).
Zwolennicy modelu "wszechświatów wyspowych" argumentowali, że mgławice spiralne są zbyt odległe, by dało się w nich dostrzec pojedyncze gwiazdy. Dla większości ich kolegów były to jednak spekulacje. Według nich nie było żadnych dowodów na istnienie "odległych Dróg Mlecznych". Dziś, mądrzejsi o odkrycia Hubble'a i jego następców wiemy, że owe dowody astronomowie mieli cały czas przed oczami, ale z powodu niekompletnych i chaotycznych danych nie umieli ich poprawnie odczytać.
Nawet w pierwszym dwudziestoleciu XX wieku, gdy jakość sprzętu optycznego i coraz szersze wykorzystanie możliwości technik fotograficznych doprowadziły obserwacje astronomiczne do bardzo zaawansowanego poziomu, prawie wszyscy astronomowie zajmowali bardzo zachowawcze stanowisko w sprawie skali Wszechświata. I w taki właśnie kształtowany przez setki lat krajobraz sporu wkroczyli 26 kwietnia 1920 roku Harlow Shapley i Heber Curtis.
***
Czytaj więcej:
***
Wielka Debata
Harlow Shapley (1885-1972), wychowanek Uniwersytetu w Princeton, był pracownikiem Obserwatorium Mount Wilson w Kalifornii (tego samego, gdzie później Hubble dokonał swoich odkryć), a od 1921 roku dyrektorem Obserwatorium Harvarda. Zajmował się m.in. kwestią pulsujących gwiazd zmiennych zwanych "cefeidami" (o których będzie jeszcze mowa) i obliczaniem za ich pomocą odległości od gromad kulistych.
Ze swych obserwacji wysnuł wniosek, że Galaktyka jest znacznie większa, niż wówczas sądzono, a Układ Słoneczny nie jest położony blisko centrum Drogi Mlecznej. W przypadku mgławic spiralnych podzielał jednak zdanie większości astronomów i uważał, że to struktury znajdujące się wewnątrz naszej galaktyki, która jest zarazem całym Wszechświatem.
Heber Doust Curtis (1872-1942), absolwent Uniwersytetu w Michigan oraz Uniwersytetu w Virginii, pracował w należącym do Uniwersytety Kalifornijskiego Obserwatorium Licka, w którym kontynuował fotograficzne i spektrograficzne badania mgławic prowadzone tam wcześniej przez Jamesa Edwarda Keelera. W 1920 roku rozpoczął pracę w Obserwatorium Allegheny przy Uniwersytecie w Pittsburghu.
Był przekonany, że Galaktyka jest znacznie mniejsza, niż utrzymywał Shapley, Układ Słoneczny leży blisko jej środka, natomiast mgławice spiralne to "wszechświaty wyspowe", czyli odległe galaktyki, a Kosmos rozciąga się daleko poza granicami Drogi Mlecznej.
Jak już wspomnieliśmy, podczas Wielkiej Debaty w 1920 roku każdy z astronomów do końca bronił swojego stanowiska i nie dał się przekonać argumentami przeciwnika. Dyskutując w gmachu Muzeum Historii Naturalnej w Waszyngtonie, tak przedstawiali interpretacje zarejestrowanych obserwacji własnych oraz innych uczonych, by pasowały do ich hipotez.
Najwięcej kontrowersji wywoływała oczywiście sprawa mgławic spiralnych. Shapley podkreślał, że dowody obserwacyjne nie pozwalają na przyjęcie hipotezy Curtisa, ten drugi zaś twierdził, że "teoria wszechświatów wyspowych wykazuje wewnętrzną spójność". Omawiając tę kwestię 26 kwietnia 1920 roku, Shapley był retorycznie znacznie bardziej przekonujący od Curtisa, który musiał poprzestać na ogólnikach. A jednak kilka lat później najbardziej bezstronny sędzia - czyli rzeczywistość - wydał wreszcie werdykt: Curtis wygrał spór o mgławice spiralne, a Shapley zupełnie pobłądził.
Na pocieszenie historia przyznała Shapleyowi rację, jeśli chodzi o miejsce Układu Słonecznego w Galaktyce - mieszkamy raczej daleko od centrum Drogi Mlecznej.
***
Czytaj więcej:
***
Postscriptum Edwina Hubble'a
Do ostatecznej weryfikacji natury mgławic spiralnych przyczyniły się cefeidy, których wyjątkową naturę odkryła i opisała w pierwszej dekadzie XX wieku amerykańska astronomka Henrietta Swan Leavitt. Cefeidy to gwiazdy zmienne, które, pulsując, zmieniają zarówno średnicę, jak i temperaturę, co dla ziemskiego obserwatora oznacza regularne i przewidywalne zmiany jasności.
Leavitt wykazała związek między tzw. jasnością absolutną gwiazdy i okresem zmian jasności, dzięki czemu, korzystając z danych astronomicznych i matematycznych zbieranych przez ponad dwa tysiąclecia, wynalazła precyzyjne narzędzie do określania odległości ciał niebieskich od Ziemi.
Gdy w październiku 1923 roku Edwin Hubble wycelował teleskop Hookera w stronę Wielkiej Mgławicy (M31 w katalogu Messiera) w gwiazdozbiorze Andromedy, by naświetlić płytę fotograficzną, na której ukazał się wyraźny obraz cefeidy na jednym z zewnętrznych ramion spiralnego "obłoku", to właśnie dzięki dokonaniom Henrietty Swan Leavitt mógł sprawdzić, jak daleko od nas leży M31.
Hubble przez cały rok poszukiwał innych cefeid w Wielkiej Mgławicy oraz sąsiednim obiekcie M33, naświetlał kolejne płyty, a następnie zebrany materiał wykorzystał do wyznaczenia okresów zmienności gwiazd, określenia ich jasności absolutnej, a wreszcie - odległości od Ziemi. 31 grudnia 1924 roku przesłał telegraficznie do Waszyngtonu opatrzone zapisem obserwacji wyniki obliczeń.
Koledzy uczeni poznali je na noworocznym posiedzeniu Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego. Żaden z nich nie miał wątpliwości - było to jedno z największych osiągnięć naukowych XX wieku; otwierał się właśnie zupełnie nowy rozdział w dziejach badania Wszechświata, który z dnia na dzień urósł do niesłychanych rozmiarów.
Zaledwie siedemnaście lat wcześniej szwedzki astronom Karl Bohlin ogłosił pracę na temat Wielkiej Mgławicy, w której opisał swój pomiar paralaksy (zmiany położenia ciała na sferze niebieskiej względem dalszych obiektów) tego ciała. Z jego obliczeń wyszło, że mgławica ta oddalona jest od nas o dziewiętnaście lat świetlnych. Hubble udowodnił, że ta odległość wynosi naprawdę dwa miliony sto dwadzieścia tysięcy lat świetlnych.
Dzięki temu odkryciu Wielką Mgławicę przemianowano na Galaktykę Andromedy, a był to przecież dopiero początek serii ponownych chrztów tysięcy "małych chmurek" - jak owe obiekty określali przed wiekami pierwsi starożytni astronomowie.
***
Czytaj więcej:
***
Korzystałem z książki Edwarda (Rocky'ego) Kolba pt. "Ślepi obserwatorzy nieba. Ludzie, których idee ukształtowały nasz obraz Wszechświata" (Warszawa, 2006)
Michał Czyżewski
