Astrohaj. Jak dotknąć kosmicznego pyłu? - ebook

Prolog

Astronomia ogólnie

Ta opowieść zaczyna się od ciemności, zupełnie dosłownie – od całkowitego zaćmienia Słońca. Szczególnego zaćmienia, pierwszego transmitowanego na żywo w telewizji, która pokazywała, jak cień Księżyca wędruje po kolei przez Francję, Włochy i dawną Jugosławię. Nestor popularyzatorów astronomii w BBC, Patrick Moore, na bieżąco komentował to wydarzenie z ośnieżonego szczytu Jastrebac na terenie dzisiejszej Serbii. O ile pamiętam, niebo zakrywały chmury, więc niezbyt wiele się działo, ale i tak było o czym opowiadać: na przykład o wołach, które wciągnęły sprzęt do obserwacji na samą górę. Oczywiście od razu ucięły sobie drzemkę w zapadających ciemnościach. W tym momencie, ku rozpaczy Patricka, producent włączył reflektory, by pokazać widzom zaspane zwierzęta. Reflektory w środku zaćmienia to nie jest dobry pomysł.

Miałem szesnaście lat, siedziałem przed czarno-białym telewizorem w zimowy poranek w hrabstwie Yorkshire i ani trochę nie chciało mi się spać. Właśnie wtedy postanowiłem, że zostanę astronomem. Największe wrażenie zrobiły na mnie chyba teleskopowe obserwacje korony słonecznej – zewnętrznej atmosfery Słońca, której funkcjonowanie nawet dzisiaj, sześćdziesiąt lat później, nie jest w pełni wyjaśnione. A może podziałała magia słów Patricka, który cały czas opowiadał widzom, co się dzieje, mimo że przez połowę relacji niebo było przykryte chmurami.

Osiem i pół roku później, już po studiach, znowu siedziałem przez telewizorem jak zaczarowany, tym razem oglądając niejakiego Neila Armstronga spacerującego po Księżycu. Byłem wtedy zatrudniony w szacownej brytyjskiej firmie budującej wielkie teleskopy dla astronomów; kilku z nich zdarzyło mi się potem używać w pracy. Zajmowałem się wytwarzaniem zwierciadeł przeznaczonych do nowego teleskopu kosmicznego, który miał obserwować Wszechświat w promieniowaniu ultrafioletowym. Firma była z tradycjami, założona ponad sto lat wcześniej, i znali się tam na konstruowaniu teleskopów tak wielkich, że ich wagę liczyło się w tonach, jednak tego rodzaju sprzęt nie nadaje się na satelity krążące w przestrzeni kosmicznej, więc mieliśmy wiele problemów z wyprodukowaniem odpowiednio lekkich luster. Na szczęście mój teleskop w końcu poleciał w kosmos, wyniesiony przez satelitę o mało wdzięcznej nazwie TD1A.

Z latami nabywałem coraz więcej doświadczenia w wielu dziedzinach astronomii i kosmologii, aż wypłynąłem na nieznane wody zarządzania. Na niemal dwadzieścia lat zostałem głównym astronomem obserwatorium, które wtedy nazywało się Anglo-Australian Observatory, w skrócie AAO. Było to dwupaństwowe przedsięwzięcie, pracujące na dwóch teleskopach w Obserwatorium Siding Spring w Nowej Południowej Walii (Australia). Jeden z nich, 3,9-metrowy, nadal jest największym teleskopem optycznym na kontynencie.

W 2010 roku Wielka Brytania na brytyjsko uprzejmy sposób wycofała się ze współpracy i zostawiła placówkę pod zarządem australijskim. Nazwa zmieniła się więc na Australian Astronomical Observatory, skrót pozostał taki sam: AAO. Osiem lat później nawiązano strategiczną współpracę z jednym z wiodących obserwatoriów europejskich i AAO stało się częścią sieci uniwersyteckiej. Teleskopy w Siding Spring trafiły pod opiekę Australijskiego Uniwersytetu Narodowego, a odpowiednia jednostka w Sydney zmieniła nazwę obserwatorium na Australian Astronomical Optics, czyli oczywiście AAO. Po mistrzowsku udało się nie wyrzucać pieniędzy na nowe logo. Pozostaje ono bez zmian od 1991 roku i z dumą zaświadcza o tradycjach naszej instytucji.

Co się działo z głównym astronomem podczas tych wszystkich perturbacji? Po reorganizacji moje stanowisko zmieniło charakter – przypadła mi w udziale rola edukacyjna i popularyzatorska, z licznym występami w australijskim radio publicznym ABC (Australian Broadcasting Corporation). Po przekształceniach w 2018 roku zarząd AAO uznał, że chce mnie zatrzymać – ku mojemu zadowoleniu, bo zawsze uwielbiałem opowiadać o astronomii wszystkim, którzy tylko mieli ochotę słuchać.

Trzeba było jednak wymyślić nową nazwę na stanowisko, które zajmowałem. Ktoś zaproponował, że gdyby zamienić „główny” na „ogólny”, do wymiany poszłyby tylko dwie litery na tabliczce wiszącej na drzwiach. Trochę się z tego pośmialiśmy. Ale australijskiej minister przemysłu, nauki i technologii, pani Karen Andrews, naprawdę spodobał się ten pomysł, więc jak mogłem się sprzeciwiać?

Jako astronom ogólny kontaktuję się z badaczami z całego świata i dowiaduję się, nad czym pracują. Bardzo mnie to cieszy, bo mogę o tym później opowiedzieć w radio Australijczykom. I każdemu, kto jest zainteresowany. Od lat mam zaszczyt przedstawiać na antenie najróżniejsze astronomiczne zagadnienia, od eksploatacji asteroid po astrofizykę, od Galileusza po grawitację. Cóż za skarbiec wiedzy do wykorzystania w książce!

Tak więc Kroniki gwiazdowe wywodzą się z cyklu audycji Astronom ogólny przedstawia, gdzie prezentowałem interesujące problemy z mojej dziedziny. Mogę wam tutaj opowiedzieć mniej znane historie z frontu astronomii i kosmologii i spróbować popatrzeć trochę w przyszłość. Niektóre dziedziny, o których wspominam, rozwijają się niezwykle szybko, więc ta opowieść będzie zapisem wiedzy, jaką dysponujemy w połowie 2019 roku.

Popatrzmy, o czym będzie ta książka. Zaczniemy od naszej planety i zagadnień, które rzadko trafiają do tomów poświęconych astronomii i przestrzeni kosmicznej. W pierwszej części skupiam się na jedynej w swoim rodzaju relacji między ludźmi, naszą planetą i niebem – na urodzie zachodu słońca, na nauce obywatelskiej czy na bombardujących Ziemię starożytnych pozostałościach z czasów, kiedy formował się Układ Słoneczny. Zajmiemy się też na chwilę rozkwitającą gospodarką kosmiczną, żeby potem wybrać się w podróż na Księżyc i poszukać śladów jego pochodzenia. Świetnie się składa, bo niedawno przypadła pięćdziesiąta rocznica pierwszych kroków człowieka na Księżycu.

Wspomniałem wyżej o Galileuszu – nie bez powodu, bo na początku działu poświęconego Układowi Słonecznemu przyjrzymy się jego losom. Historia astronomii wiele mówi o rozwoju nauki, a Galileusz był jednym z wielu budzących kontrowersje naukowców w dziejach. Potem, przeskakując do czasów współczesnych, zobaczymy, że dzisiaj badania planetarne liczą się z perspektywą znalezienia oznak życia w rodzinie Słońca. Poruszam ten temat w kilku rozdziałach, żeby na koniec podać nowe wiadomości na temat tajemniczej planety na obrzeżach Układu Słonecznego.

Później przechodzimy do odległego wszechświata, żeby porozmawiać o najciekawszych zagadnieniach współczesnej astrofizyki, takich jak światło odbijające się echem w kosmosie, dziwne sygnały radiowe, mechanika czarnych dziur i nie jeden, ale dwa rodzaje tajemniczej substancji wypełniającej przestrzeń kosmiczną jakby na złość bezradnym astronomom, którzy nie umieją jej rozpoznać. Na końcu, żeby uspokoić nastroje, spojrzymy na dzieje pewnej nieodwzajemnionej miłości. Szykujcie chusteczki!

Trudno opisać, jaką przyjemnością i zaszczytem jest dla mnie relacjonowanie tych wszystkich wspaniałych badań i opowiadanie o zawikłanych, a czasem zabawnych dziejach naszej nauki. To prawie tak samo fajne, jak oglądanie zaćmienia Słońca.Rozdział 1

Nieustająca Ziemia, czyli tak kręci się świat

Wyobraźmy sobie, że moglibyście wybrać się ze mną w miejsce, które jest najbardziej typowe dla Wszechświata, czyli tam, gdzie panują warunki, na jakie natykamy się w kosmosie najczęściej. Gdzie byśmy się znaleźli? Może na powierzchni nieznanej planety, wśród zadziwiających stworzeń i kolorów? Albo we wrzącej atmosferze gorącej gwiazdy, gdy potężne pole magnetyczne wyrzuca w naszą stronę eksplodującą plazmę? Może w pędzie do wnętrza czarnej dziury? A może po prostu nigdzie?

Tak, ostatnia odpowiedź jest najbliższa prawdy. Typowe miejsce we Wszechświecie jest puste, zimne i ciemne – tak bardzo, że nie mamy słów, by to opisać. Jeżeli będziecie mieli szczęście, traficie na pojedynczy atom wodoru w metrze sześciennym, czyli przestrzeni, jaką wypełnia piętnaście osób. Temperatura wynosi 2,7 stopnia powyżej zera absolutnego, czyli około –270 stopni Celsjusza. To bardzo zimno. A ciemność, widziana naszymi oczami, jest całkowita.

Spokojnie, nie zamierzam was tu zostawiać. Z typowego kosmicznego miejsca przeniesiemy się z prędkością światła do innego, do którego dotrzemy mniej więcej po stu milionach lat podróży – do ogromnego dysku jaśniejącego w przestrzeni, złożonego z gwiazd, pyłu kosmicznego i świecącego gazu. Znajduje się pomiędzy kilkoma innymi wirami światła, ale tylko ten jest tak wyjątkowy, że ma nazwę: to Droga Mleczna, nasza galaktyka. Zbliżamy się do niej i po kolejnych stu tysiącach lat trafiamy na obrzeża, widoczne jako błyszcząca chmura gwiazd, różowych kłębów wodoru i pyłu. Znajdujemy niepozorną gwiazdę, a wokół niej ciekawą zbieraninę planet: cztery małe i kamieniste oraz cztery wielkie i gazowe; pomiędzy nimi krąży sporo kosmicznego śmiecia. Trzecia planeta, licząc od gwiazdy, wygląda niezwyczajnie – jest błękitna i biała, gdzieniegdzie z czerwonobrązowymi plamami (ale to i tak nic w porównaniu z tą dziwaczną z pierścieniami).

Lądujemy na stałym gruncie, chyba w najlepszym miejscu do oglądania naszej planety – w Namibii, na południu regionu Damaraland. Otaczają nas granitowe bloki, wielkie jak domy, różowe w świetle wschodzącego słońca, które podkreśla zabarwienie kamieni bogatych w żelazo. W tym pustynnym krajobrazie niewiele jest zieleni, a łańcuch stromych szczytów widoczny na horyzoncie opowiada historię kształtowania powierzchni Ziemi: mówi, jak sto trzydzieści milionów lat temu stopiona skała wylewała się z gigantycznych pęknięć dzielącego się na części superkontynentu Gondwany. Dzisiejsza Afryka, Ameryka Południowa, Antarktyka, Australia i subkontynent indyjski są jego pozostałościami.

Pogląd, że płyty tektoniczne – segmenty skorupy ziemskiej (litosfery), która może mieć grubość od sześćdziesięciu do dwustu pięćdziesięciu kilometrów – stale się przemieszczają, był jednym z największych osiągnięć dwudziestowiecznej geofizyki. To była teoria, na którą czekano, i w latach sześćdziesiątych, kiedy byłem pryszczatym uczniakiem, właśnie dobiegało końca półwiecze wahań i wątpliwości w tej dziedzinie. Nowe matematyczne modele transportu ciepła w płaszczu ziemskim (warstwie poniżej skorupy, złożonej z płynnych skał, o grubości ok. 2900 kilometrów) wykazały, że wznoszące się w górę pióropusze lepkiej skały rzeczywiście mogą zmuszać płyty kontynentalne do pędu. Przypomnijcie sobie te ozdobne lampy typu „lawa”, z kolorowymi bąblami pływającymi w środku, a będziecie mniej więcej wiedzieli, o co chodzi. Oczywiście zdaję sobie sprawę, że w geologii rzadko mówi się o pędzie, ale w tym przypadku można – płyta afrykańska i południowoamerykańska oddalają się od siebie z prędkością dwóch, trzech centymetrów rocznie, czyli mniej więcej tak szybko, jak nam rosną paznokcie.

Ta zwiększająca się stale przestrzeń między obiema płytami tworzy Grzbiet Śródatlantycki, podwodny łańcuch górski, który ciągnie się niemal od bieguna północnego do południowego. Jedyną jego częścią wystającą ponad powierzchnię oceanu jest młoda wulkaniczna wyspa Islandia. Przywykliśmy słyszeć o tektonicznej aktywności w miejscach takich jak Japonia, Sumatra czy Nowa Zelandia, czyli tam, gdzie stykają się płyty tektoniczne, często wywołując sejsmiczne katastrofy – ale to Islandia jest rejonem, gdzie chyba najlepiej widać dynamikę naszej planety. Na wyspie, bezustannie rozciąganej w dwie strony, aktywność wulkaniczna jest na porządku dziennym.

Według naszej wiedzy, w Układzie Słonecznym Ziemia jako jedyna ma ruchome płyty tektoniczne, przynajmniej w obecnych czasach. Ich geologiczna energia sprawiła, że przy powierzchni planety znalazło się wiele substancji chemicznych i zaczęły zachodzić reakcje, które trzy miliardy lat temu doprowadziły do powstania żywych organizmów. Dzisiaj życie kwitnie na Ziemi w tysiącach form – nawet tutaj, w Damaralandzie, gdzie wspaniałe słonie pustynne pokazują, że żywe istoty potrafią przystosować się do najtrudniejszych nawet warunków. Wszyscy wiemy, jakie jest szczytowe osiągnięcie biologicznych możliwości adaptacyjnych – najbardziej skomplikowana struktura we Wszechświecie, czyli zdumiewający mózg Homo sapiens.

Dziś wieczorem zaraz po zmierzchu na czystym niebie Namibii rozpocznie się festiwal znakomitości Układu Słonecznego. Daleko na zachodnim krańcu nieba planeta Wenus zaświeci jako zwiastunka wielkiego Jowisza, który pojawi się wyżej, podczas gdy na północnym wschodzie będzie z nim rywalizował Saturn. Jednak to cienki sierp w pobliżu Jowisza przyciągnie nasz wzrok. W tej fazie Księżyc jest rozjaśniony światłem popielatym (światłem słonecznym odbitym od Ziemi), więc jego ciemna część jest widoczna pomiędzy zaostrzonymi końcami jasnego sierpa. Światło popielate ma praktyczne znaczenie w nauce, jak stwierdzili kilka lat temu francuscy i kanadyjscy astronomowie. Składa się na nie całość dziennego światła odbitego od Ziemi: oceanów, kontynentów, chmur i lodowców, miast, miasteczek, pól golfowych i ogródków piwnych. Od wszystkiego. Dzięki analizie tego światła metodą spektroskopii (opisaną w rozdziale piętnastym) astronomowie mogą identyfikować ziemskie ślady życia, żeby sprawdzić, czy w podobny sposób da się obserwować planety krążące wokół gwiazd innych niż nasza.

Rzadko zaprzątamy sobie głowę Księżycem, ale wpływ jego grawitacji był prawdopodobnie kluczowy dla rozwoju życia na Ziemi. Na przykład pływy oceaniczne mogły przyczynić się do wyjścia zwierząt morskich na ląd, ułatwionego dzięki regularnemu odsłanianiu i zalewaniu wybrzeża. Ponadto uważa się, że tak duży satelita okrążający Ziemię działa jak koło zamachowe i stabilizuje nachylenie ziemskiej osi, utrzymując je cały czas na poziomie 23,5 stopnia, z niewielkimi odchyleniami. Dzięki temu ustaliły się pory roku, które sprzyjają ewolucji życia. Zupełnie inaczej jest na Marsie, gdzie następowały duże zmiany nachylenia osi planety (nawet o dwadzieścia stopni) we względnie niewielkich okresach (około stu tysięcy lat).

Nasza planeta ma jeszcze dwie inne cechy, które sprzyjały powstaniu życia. Jedna to żelazno-niklowe jądro o średnicy 6970 kilometrów, co stanowi ponad połowę średnicy całej planety. W środku płynnego jądra zewnętrznego znajduje się stałe jądro wewnętrzne o średnicy 2440 kilometrów. Panuje tam ogromne ciśnienie i temperatury rzędu 6500 stopni Celsjusza. Prądy konwekcyjne w jądrze płynnym wytwarzają pole magnetyczne Ziemi i ziemską magnetosferę, barierę ochronną, która osłania powierzchnię i atmosferę planety przed niszczącym działaniem wiatru słonecznego. Wiatr słoneczny nie jest łagodnym powiewem, ale kaskadą naładowanych elektrycznie cząstek pochodzących ze Słońca.

Co jakiś czas – w nieregularnych odstępach - na skutek oddziaływań między płynną a stałą częścią jądra pole magnetyczne Ziemi słabnie i zmienia kierunek. Taka zmiana kierunku, zwana przebiegunowaniem, może wydarzyć się znowu w ciągu najbliższych kilku tysięcy lat – wskazuje na to dziesięcio-piętnastoprocentowy spadek natężenia pola zanotowany od rozpoczęcia pomiarów w połowie XIX wieku. Czy brak pola magnetycznego oznacza koniec magnetosfery i zagrożenie dla żywych organizmów? Niekoniecznie. Oddziaływanie między polem magnetycznym Słońca a metalicznym jądrem Ziemi również wytwarza pole magnetyczne, które przynajmniej częściowo ochroni nasze środowisko.

Drugą sprzyjającą życiu cechą Ziemi jest atmosfera, która zapewnia znacznie więcej niż tylko powietrze do oddychania. Duża część z pięćdziesięciu ton materii kosmicznej codziennie bombardującej naszą planetę (z prędkościami wynoszącymi od jedenastu do siedemdziesięciu dwóch kilometrów na sekundę) wyparowuje, nie czyniąc żadnej szkody, na wysokości około dziewięćdziesięciu pięciu kilometrów nad naszymi głowami. Obiekty, którym uda się przedostać w niższe warstwy atmosfery albo spaść na ziemię jako meteoryty, są dość rzadkie (przeczytacie o nich w rozdziale czwartym). Dodatkowo, gdy w grę wchodzą cząstki na poziomie subatomowym, atmosfera znacząco redukuje strumień galaktycznego promieniowania kosmicznego docierającego do powierzchni Ziemi. To także są niebezpieczne cząstki. Bez otulającego planetę płaszcza atmosfery bylibyśmy skazani na prawdziwie niesprzyjające warunki.

Trzeba jednak wiedzieć, że atmosfera znajduje się w stanie delikatnej równowagi dzięki wpływowi wielkich oddziaływań geofizycznych. Kluczowym czynnikiem w utrzymaniu jej stabilności jest efekt cieplarniany wywoływany przez dwutlenek węgla oraz cyrkulacja CO2 pomiędzy powietrzem, którym oddychamy, a płaszczem ziemskim. Ta cyrkulacja stanowi naturalny termostat, zależny od procesów tektoniki płyt. Zbliżające się do siebie płyty zderzają się i płyta oceaniczna wsuwa się pod płytę kontynentalną w procesie nazywanym subdukcją.

Zawartość dwutlenku węgla w atmosferze regulowana jest przez tektonikę płyt. CO2 rozpuszcza się w wodzie morskiej lub przedostaje się do niej w opadach i na dnie oceanu formuje skały węglanowe. Następnie pochodzące z nich związki węgla wracają do atmosfery w wyniku subdukcji i aktywności wulkanicznej.

Rys. autora, za U. S. Geological Survey

Razem z płytą oceaniczną subdukcji ulegają skały węglanowe zawierające związki węgla, które przedostały się na dno oceanu z atmosfery. Woda morska zmniejsza tarcie i dzięki temu płyta oceaniczna wsuwa się dość daleko w głąb płaszcza ziemskiego, zwiększając w nim zasoby węgla. Następnie erupcje wulkanów w strefie subdukcji wyrzucają ten węgiel z powrotem do atmosfery w postaci CO2. A potem związki węgla znowu wracają do morza i opadają na dno. Ten skomplikowany proces znajduje się w delikatnej równowadze, więc nie powinno nas dziwić, że dodatkowe ilości dwutlenku węgla wprowadzone do atmosfery przez niemal dwieście lat spalania paliw kopalnych mają tak wyraźny wpływ na nasz klimat.

Tutaj, na suchych wyżynach Damaralandu, atmosfera jest cieńsza, a intensywne światło słoneczne ukazuje zmagania, toczące się w głębokim cieniu ogromnych granitowych skał – walkę tysięcy afrykańskich gatunków o przetrwanie. Goście tacy jak ja czy wy mogą od razu zrozumieć: nasza planeta nie jest w najmniejszym stopniu typowa. Żyjemy w niesamowitym świecie i powinniśmy lepiej zatroszczyć się o jego atmosferę. Jako niepoprawny optymista wierzę jednak, że dzięki wspaniałej ludzkiej zdolności do adaptacji jakoś wszystko naprawimy i przetrwamy, tak jak trwa flora i fauna Namibii. Obywatelski ruch na rzecz odnawialnych źródeł energii, zapoczątkowany dwadzieścia lat temu przez nieżyjącego już Hermanna Scheera, niemieckiego polityka i orędownika wykorzystania energii słonecznej, dzisiaj jest w pełnym rozkwicie. Miejmy nadzieję, że doczekamy się skutków na tyle szybko, żeby nie dopuścić do powstania niekontrolowanego efektu cieplarnianego, jaki nastąpił na sąsiedniej planecie mniej więcej trzy miliardy lat temu. Planeta Wenus, z temperaturą powierzchni wynoszącą około czterysta siedemdziesiąt stopni Celsjusza i deszczami kwasu siarkowego, nie zachęca do odwiedzin. Nawet jeśli jest bardzo nietypowa.Rozdział 2

Terminator, czyli instrukcja obsługi zmierzchu

Teleskop AAT, umieszczony na szczycie pięćdziesięciometrowej kopuły, ma zwierciadło wklęsłe o średnicy 3,9 metra, które zbiera i skupia światło odległych obiektów, żeby następnie przekazać je do analizy najróżniejszym nowoczesnym instrumentom. Obejmuje swym zasięgiem zarówno pobliskie planetoidy w Układzie Słonecznym, jak i najdalsze wykrywalne ciała niebieskie: wybuchające gwiazdy znane jako supernowe i niespokojne młode galaktyki nazywane kwazarami. Stoi na szczycie Siding Spring, w górach Warrumbungle (jest to bardzo adekwatne określenie z języka gamilaraay, oznaczające „krzywe góry”). Siding Spring znajduje się czterysta pięćdziesiąt kilometrów na północ od Canberry i trzysta pięćdziesiąt kilometrów na północny zachód od Sydney. Dzięki oddaleniu od dużych miast nocne niebo jest tutaj wolne od zanieczyszczeń światłem, tak samo jak tysiące lat temu, kiedy pierwsi ludzie oglądali gwiazdy. Na horyzoncie widać jednak daleką poświatę Sydney, podobnie jak światła bliższych miejscowości Dubbo i Gilgandra.

Na początku lat siedemdziesiątych AAT był jednym z największych teleskopów na planecie. Teraz astronomowie mogą korzystać z kilkunastu teleskopów o lustrach dwa razy większych. Tak duże przyrządy to zwykle przedsięwzięcia, w których udział ma wiele państw, ale umieszcza się je tylko w kilku w miejscach: wysoko na szczytach górskich niedaleko zachodnich wybrzeży kontynentów, gdzie turbulencje atmosferyczne nie zakłócają obserwacji. Hawaje, Wyspy Kanaryjskie, południowo-zachodnie wybrzeże USA, północne Chile i południe Afryki to najczęstsze lokalizacje nowych obserwatoriów. Co wcale nie oznacza, że praca na Siding Spring jest zakończona; zobaczymy w rozdziale piętnastym, jak technologia w połączeniu z ciemnym niebem sprawiają, że nasze obserwatorium nadal należy do najnowocześniejszych.

Pracowałem w Siding Spring przez ponad dwadzieścia lat, używając teleskopu AAT i jego mniejszego brata, szerokokątnego optycznego teleskopu Schmidta. Poznałem górę Siding Spring we wszystkich odsłonach: od krystalicznych zachodów słońca, zapowiadających idealne warunki do nocnych obserwacji, po ponure zamglone poranki, kiedy wilgotność powietrza znacznie przewyższa punkt rosy.

W badaniach prowadzonych przez obserwatoria atmosfera ziemska odgrywa kluczową rolę. Temperatura, ciśnienie, wilgotność, przejrzystość powietrza, występowanie turbulencji i zanieczyszczenia świetlnego to chleb powszedni astronomów pracujących na powierzchni Ziemi. Zbieramy przecież informacje, które docierają do nas przez zmienną otulinę życiodajnego gazu.

W Siding Spring odkryłem, że jeśli chodzi o prostą przyjemność patrzenia w gwiazdy, atmosfera może być równie ciekawa, jak nieboskłon, zwłaszcza w magicznej chwili, gdy niebo zmienia się z dziennego w nocne i odwrotnie. Astronomowie wiedzą, że moment zmierzchu to nasze przejście przez ziemski terminator. Tego określenia używali od wieków, na długo zanim zostało zawłaszczone przez kino (w astronomii ma bardzo spokojny wydźwięk, zupełnie inaczej niż w filmach).

Czym więc jest terminator? Wyobraźcie sobie, że patrzycie na planetę (lub satelitę planety) z jakiegoś punktu w przestrzeni kosmicznej. Musicie sobie wyobrazić tę planetę oświetloną przez Słońce, tak jak wszystkie planety w naszym układzie. Terminator to po prostu linia oddzielająca część jasną od ciemnej.

Na ciałach pozbawionych atmosfery, na przykład na Merkurym albo naszym własnym księżycu terminator jest bardzo wyraźną granicą, ostro oddzielającą światło i cień. Ale na planetach takich jak Ziemia, okrytych atmosferą, jest linią nieostrą i rozmytą, wzdłuż której światło miesza się z ciemnością. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki atmosfery rozpraszają światło słoneczne poza geometryczną granicę cienia.

Wróćmy teraz do punktu obserwacyjnego na powierzchni Ziemi. Kiedy planeta obraca się wokół osi, przechodzimy przez terminator dwa razy na dobę: oglądamy stopniowe wygaszanie światła, gdy błękit (albo szarość) nieba zmienia się w nocną ciemność, a potem, kilka godzin później, widzimy zjawisko odwrotne. Odstępy między tymi dwoma wydarzeniami zależą od szerokości geograficznej i pory roku.

Rzadko zwracamy uwagę na moment zapadnięcia zmierzchu, gdy obroty kuli ziemskiej niosą nas przez terminator. Ale jeżeli wiemy, gdzie patrzeć, okaże się, że możemy w tym czasie zaobserwować wiele zjawisk atmosferycznych i astronomicznych. Oczywiście to samo dotyczy świtu, tylko w odwrotnej kolejności, więc poniższy opis odnosi się zarówno do poranka, jak i wieczoru. Ponieważ większość z nas częściej ogląda zmierzch niż świt, trzymajmy się kolejności wieczornej (zresztą to taka romantyczna pora).

Dobrym punktem wyjścia do zrozumienia zjawiska zmierzchu jest pytanie, dlaczego w ciągu dnia niebo jest jasne. Zastanawiali się nad nim wielcy myśliciele starożytności, a odpowiedzi udzielił dopiero angielski uczony John William Strutt, lord Rayleigh, w pracy opublikowanej w 1871 roku. Chodzi o rozpraszanie światła w atmosferze, o czym za chwilę dowiemy się więcej. Każdy, kto widział fotografie zrobione na Księżycu przez astronautów misji Apollo w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku, musiał zobaczyć, że choć zostały wykonane podczas księżycowego dnia, księżycowe niebo jest czarne. Bez atmosfery światło nad Księżycem pozostaje nierozproszone, więc promienie słoneczne nie oświetlają żadnego obiektu, dopóki nie dotrą do jego powierzchni. Chociaż nie – czasem, w odpowiednich warunkach, pod wpływem działania sił elektrostatycznych, nad powierzchnię Księżyca wznoszą się na tyle duże chmury pyłu, że prowadzący obserwacje z orbity astronauci mogli je zauważyć, zanim Słońce pojawiło się nad horyzontem. Ale tego pyłu jest oczywiście zbyt mało, by rozjaśniał księżycowe niebo.

Na Ziemi, gdyby nie chmury powstające w atmosferze, niebo zawsze byłoby niebieskie. Ten akurat kolor wynika ze sposobu, w jaki światło słoneczne oddziałuje z cząsteczkami powietrza i aerozolami (drobinami pyłu i kropelkami wody) – w kontakcie z nimi rozprasza się we wszystkich kierunkach, ale jego niebieska część ulega większemu rozproszeniu niż czerwona. Kiedy promienie słoneczne przechodzą przez atmosferę, zostają pozbawione niebieskiego światła (dlatego tarcza słoneczna wydaje nam się żółta), barwa ta pojawia się za to na niebie. W rzeczywistości pasmo fioletowe światła słonecznego ulega jeszcze silniejszemu rozpraszaniu niż niebieskie, ale jest w większym stopniu pochłaniane przez atmosferę – dlatego niebo widzimy jako błękitne, a nie psychodelicznie fioletowe.

Błękitu oczywiście nie widać podczas zachmurzenia, ale niebo pozostaje jasne. Chmury mają neutralny odcień pomiędzy lśniącą bielą a groźną szarością. Ich bezbarwność jest nieprzypadkowa: rozpraszają światło słoneczne, ale krople wody, które są znacznie większe niż cząsteczki powietrza i aerozoli, nie zachowują się zgodnie z prawami Rayleigha i nie dają pierwszeństwa błękitowi. Rozpraszają wszystkie kolory tęczy jednakowo i stąd pochodzi neutralne światło białe (lub, w bardziej pochmurne dni, szare).

Zjawiska zachodzące o zmierzchu, które chciałbym wam przedstawić, widać najlepiej, gdy macie odsłonięty horyzont we wszystkich kierunkach. Oddalcie się od budynków, drzew, wzniesień, gór, burz piaskowych, aktywnych wulkanów i tym podobnych atrakcji. Środek oceanu byłby w sam raz, o ile dacie radę się tam dostać – ale płaskie przestrzenie na lądzie, takie jak płaskowyż Karru na południu Afryki, azjatyckie stepy czy pustynie w Ameryce Północnej, także świetnie się sprawdzą, nie mówiąc już o australijskim interiorze. Zróbcie kiedyś wycieczkę na równiny Nowej Południowej Walii i koniecznie zajrzyjcie po drodze do obserwatorium Siding Spring. W każdym razie, gdziekolwiek się znajdziecie, wybierzcie wieczór po słonecznym dniu.

U schyłku dnia przeznaczcie mniej więcej godzinę na obserwowanie tego, co będzie się działo podczas przejścia przez ziemski terminator. Zaczyna się od zachodu Słońca. Kiedy zniży się ono nad horyzont, zauważycie wyraźne zażółcenie lub nawet zaczerwienienie nieba dookoła. Dzieje się tak dlatego, że promienie przebijają się teraz przez znacznie grubszą warstwę atmosfery niż w ciągu dnia, przez co niebieskiego światła jest w nich jeszcze mniej i dochodzi nawet do rozproszenia światła czerwonego.

Jeżeli w atmosferze jest sporo wilgoci albo pyłu, a chmury zasłonią tarczę słoneczną, często można zaobserwować rozchodzące się od niej promienie. Nazywa się je promieniami zmierzchowymi i są one, wbrew pozorom, równoległe. To perspektywa sprawia, że widzimy je jako rozłożone niczym wachlarz, w malowniczy sposób ulubiony przez artystów. Czasami słabe promienie zmierzchowe można zaobserwować już po zajściu słońca, gdy niebo jest całkowicie czyste. Wtedy również ich pojawienie się dowodzi obecności chmur zasłaniających tarczę słoneczną, są one jednak tak oddalone, że znajdują się już pod linią horyzontu i obserwator nie może ich widzieć.

Gdy Słońce jest wciąż nisko na niebie, odwróćcie się do niego plecami i popatrzcie na wschód. Czasami będziecie mogli zobaczyć więcej promieni zmierzchowych, zbiegających się w punkcie gdzieś poniżej wschodniego horyzontu dokładnie naprzeciwko tarczy słonecznej. Ten punkt nazywa się punktem przeciwsłonecznym, a zbiegające się do niego promienie to, jak łatwo się domyślić, promienie przeciwzmierzchowe. Najdziwniej wyglądają, gdy słońce już zaszło, ponieważ punkt, do którego się schodzą, znajduje się wtedy nad wschodnim horyzontem i sprawiają wrażenie, jakby spotykały się w pustce, zwłaszcza jeśli niebo jest bezchmurne. Takie zjawisko można zobaczyć całkiem często na górskich szczytach takich jak Siding Spring.

Raz w życiu widziałem promień zmierzchowy przecinający całe niebo, od horyzontu po horyzont, jak wielka złota tęcza. To był parny wieczór w Sydney, prawdopodobnie z wysoką zawartością aerozoli w atmosferze. Niesamowity widok.

Jeżeli nic nie przysłania wam zachodniego horyzontu, a na niebie nie ma chmur, warto wypatrywać tak zwanego zielonego błysku. Znajomi astronomów sarkają, że to legendy i duby smalone, ale zielony błysk jest najprawdziwszym zjawiskiem fizycznym, które można nawet sfotografować. Powstaje wtedy, gdy światło słoneczne zostaje rozszczepione, ponieważ atmosfera zachowuje się jak pryzmat. Przez większość czasu tego nie dostrzegamy, ale podczas zachodu Słońca widzimy zmniejszającą się tarczę słoneczną, która chowa się za horyzont; od momentu jej zetknięcia z linią horyzontu do całkowitego zniknięcia na australijskich szerokościach geograficznych mija około dwóch minut. Na sam koniec zostaje cienki gorejący paseczek. Wtedy czasami, gdy atmosfera jest idealnie spokojna, na sekundę lub dwie przed samym zgaśnięciem zmienia on kolor na jasnozielony.

Dlaczego? Atmosfera rozszczepia światło zachodzącego Słońca niczym pryzmat, a czerwone oraz żółte pasma są już poniżej linii horyzontu. Wraz z ostatnim skrawkiem tarczy słonecznej pozostaje tylko światło niebieskie i zielone. Nasze oczy są bardziej wrażliwe na zieleń, więc widzimy zielony kolor wyraźniej. Taki błysk trwa tylko przez chwilę, ale kiedy już się pojawi, nie można go z niczym pomylić.

Problem z obserwowaniem zielonego błysku jest taki, że ciągle zerkamy w stronę Słońca, żeby sprawdzić, kiedy zajdzie, i nasze oczy zwykle są oślepione. Choćbyśmy nie wiem jak starali się nie patrzeć, jaśniejąca tarcza przyciąga wzrok niczym magnes. Dlatego właśnie najlepiej obserwować zielony błysk o wschodzie, kiedy Słońce dopiero podnosi się nad horyzont. Oczywiście trzeba wiedzieć, gdzie skierować spojrzenie, ale nietrudno zlokalizować odpowiednie miejsce przy rozjaśniającym się niebie. Najładniejsze zielone błyski zawsze udawało mi się obserwować o świcie.

Wieczorem, niezależnie od tego, czy błysk się pokazał czy nie, gdy Słońce już schowa się za horyzontem, odwróćcie się znowu ku wschodowi, żeby zobaczyć jedno z najbardziej poetyckich zjawisk zmierzchu. Jest tak częste, że na ogół się go nie zauważa, ale kiedy zdamy sobie sprawę, na co patrzymy, trudno je zapomnieć. W bezchmurny dzień po zajściu Słońca wzdłuż wschodniego horyzontu widać szaroniebieski pas z pasmem różowego fioletu na górze. Wraz z opadaniem Słońca szarobłękitny pas poszerza się i zmienia w niewysoki łuk, którego środek znajduje się dokładnie naprzeciwko miejsca, gdzie zniknęło Słońce. Jednocześnie różowa smuga staje się wyraźniej widoczna, oddzielając szarość od reszty błękitnego nieba, czasem z niezwykłą intensywnością.

Patrzycie właśnie na cień Ziemi rzucany na atmosferę, wznoszący się majestatycznie w miarę opadania Słońca. Zaraz po zachodzie znajdujecie się wewnątrz tego cienia i wraz z obrotem Ziemi oddalacie się w kierunku wschodnim – na australijskich szerokościach geograficznych z prędkością około tysiąca pięciuset kilometrów na godzinę. Dlatego cień wkrótce się rozmywa, szaroniebieski łuk i ciemniejące niebo zlewają się ze sobą, a różowa smuga znika.

O zachodzie słońca odbite światło z przewagą pasma czerwonego miesza się z błękitem nieba i tworzy różowofioletowy pas Wenus tuż nad cieniem Ziemi. Wraz z obrotem planety obserwator pogrąża się w tym cieniu, a pas Wenus wkrótce przestaje być widoczny. Ziemia na ilustracji widziana jest z północy.

Rys. autora

Błękitnoszary łuk nazywa się po prostu cieniem Ziemi, za to różowa zorza ponad nim nosi nazwę pasa lub wstęgi Wenus, w nawiązaniu do magicznej przepaski noszonej przez grecką boginię Afrodytę, której rzymską odpowiedniczką była Wenus. Różowofioletowa barwa pochodzi stąd, że atmosfera rozprasza bogate w czerwień światło zachodzącego Słońca prosto w stronę obserwatora, a ono miesza się z błękitem ciągle jeszcze oświetlonego nieba tuż nad cieniem rzucanym przez Ziemię. To bardzo piękne i częste zjawisko, ale większość ludzi nie zwraca na nie uwagi.

Kiedy niebo ciemnieje, Wszechświat zaczyna ukazywać się w całej krasie. Naturalnie planety, gwiazdy i galaktyki są przez cały czas, ale zasłania je nasz codzienny błękit. Niektóre ciała niebieskie są jaśniejsze niż niebo, więc widać je także za dnia – jednym z nich jest oczywiście Księżyc, a drugim, w pewnych okolicznościach, planeta Wenus. Czasami można obserwować Wenus jako małą plamkę światła, gdy Słońce jeszcze nie zaszło – dzieje się tak, kiedy Wenus osiąga szczytową jasność. Trwa to przez parę dni raz na kilka miesięcy. Wszystko zależy od skomplikowanego tańca naszej siostrzanej planety względem Ziemi, terminarz można sprawdzić w internecie (wystarczy wpisać w wyszukiwarkę: „Wenus szczytowa jasność”). Musicie jednak uważać, bo w okresie swej zwiększonej jasności Wenus znajduje się na niebie dość blisko tarczy słonecznej i lepiej nie używać do obserwacji lornetki ani teleskopu, żeby przypadkiem nie spojrzeć bezpośrednio w Słońce. To mogłoby się bardzo źle skończyć.

Wróćmy jednak do zmierzchu. Słońce zapada coraz niżej za horyzont i jaśniejsze gwiazdy i planety stają się coraz wyraźniej widoczne. Może was zaciekawi, że astronomowie wyodrębniają trzy etapy zmierzchu, w zależności od ilości światła rozproszonego w atmosferze. Zmierzch cywilny trwa do chwili, gdy Słońce znajdzie się sześć stopni poniżej horyzontu; niebo wtedy jest jeszcze całkiem jasne. Potem następuje zmierzch żeglarski lub morski, gdy Słońce opada o kolejnych sześć stopni. Następny jest zmierzch astronomiczny, kiedy Słońce opada do osiemnastu stopni poniżej horyzontu. Ten podział pochodzi z drugiej połowy XIX wieku i chociaż może wydawać się nieco abstrakcyjny, jego zadaniem było wyznaczenie momentu, w którym na niebie nie ma już żadnego rozproszonego światła. Po astronomicznym zmierzchu nastaje „oficjalna” ciemność.

Dalszy rozwój wydarzeń zależy od fazy Księżyca i od tego, czy przeprowadzacie obserwacje w miejscu wysokiego zanieczyszczenia światłem (jak wszystkie miasta). Księżyc w pełni rozświetla niebo zadziwiająco intensywnie; zwykle pozwala nam znaleźć drogę bez sztucznego oświetlenia. Jeżeli jednak jest tylko cienkim sierpem albo w ogóle go nie widać, zwłaszcza z dala od miejskich świateł, możecie zobaczyć przecinającą niebo wstęgę Drogi Mlecznej. To widok na dysk naszej galaktyki, w której Słońce jest tylko jedną z około czterystu miliardów gwiazd.

Jest jeszcze inne zjawisko, które wymaga czystego, bezksiężycowego nieba wolnego od świetlnych zanieczyszczeń – ale gdy już je widać, nie da się go pomylić z żadnym innym. To blada kolumna światła wznosząca się ukośnie nad zachodnim horyzontem przez mniej więcej pół godziny po zakończeniu astronomicznego zmierzchu. Jest to tak zwane światło zodiakalne, a jego oś przebiega wzdłuż ekliptyki (drogi, po której dla ziemskiego obserwatora Słońce i planety poruszają się po niebie). Wypatrujcie go po zapadnięciu ciemności wiosną, bo wtedy wznosi się bardziej pionowo niż o innych porach roku. Nie pomylcie go jednak z Drogą Mleczną, którą można zauważyć nieco dalej na południe.

Wiele czasu zajęło naukowcom zrozumienie tego zjawiska. Na początku XX wieku jeden z moich naukowych mistrzów, norweski fizyk Kristian Birkeland, poszedł kompletnie niewłaściwym tropem, wyobrażając sobie, że światło zodiakalne bierze się z elektromagnetycznego oddziaływania pomiędzy ziemską atmosferą a subatomowymi cząstkami pochodzącymi ze Słońca. Tak właśnie wyjaśnił pod koniec XIX wieku genezę zorzy polarnej, ale w przypadku światła zodiakalnego intuicja go zawiodła. Wyprawa do Egiptu w celu poczynienia dokładnych obserwacji została przerwana przez wybuch pierwszej wojny światowej i Birkeland wyruszył z powrotem do rodzinnego Oslo. Żeby ominąć obszary działań wojennych oraz Wielką Brytanię (angielscy naukowcy nie poważali jego prac dotyczących zorzy), postanowił jechać z Kairu przez Tokio, a więc raczej okrężną drogą. Niestety, właśnie w Tokio 15 czerwca 1917 roku zmarł z powodu przedawkowania leku nasennego.

Niedługo potem odkryto, że źródło światła zodiakalnego jest bardziej prozaiczne niż oddziaływania elektromagnetyczne. Zjawisko to, podobnie jak błękit nieba, polega na rozproszeniu światła, tyle że tym razem światło słoneczne nie jest rozpraszane w atmosferze, ale odbija się od cząstek pyłu międzyplanetarnego znajdujących się w płaszczyźnie orbity Ziemi. Są one na tyle duże, że nie słuchają praw Raleigha faworyzujących kolor niebieski, więc, podobnie jak chmury, światło zodiakalne nie ma barwy.

Jest jeszcze jedna sprawa dotycząca światła zodiakalnego, o której trzeba powiedzieć. Ta historia sięga do początków lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, gdy pewien młody student astronomii w Anglii rozpoczął pracę nad doktoratem w Imperial College w Londynie. Miał poświęcić rok na badanie widma światła zodiakalnego w położonym wysoko nad poziomem morza Observatorio del Teide na Teneryfie. Był pełen zapału, ale niespodziewanie jego kariera rozwinęła się w kierunku muzycznym – i poradził sobie całkiem nieźle. Podjął porzucone badania astronomiczne trzydzieści lat później i w sierpniu 2007 roku obronił zasłużony doktorat. Wyróżnił się w astronomii, tak jak wcześniej w muzyce – był to bowiem niejaki Brian May, gitarzysta zespołu Queen. Trzeba przyznać, że gwiazda rocka to świetna reklama dla nauk o Wszechświecie!

Ciekawe, że naukowcy nieszczególnie interesują się światłem zodiakalnym. Badania Briana Maya, porzucone na ponad trzydzieści lat, prawie się nie zdezaktualizowały. Ale miał dobre wyczucie, bo ostatnio słaby dysk pyłowy w Układzie Słonecznym cieszy się coraz większymi względami astronomów. Uznaje się, że są to pozostałości po obłoku gazowo-pyłowym, z którego powstały planety, i że można się z niego wiele dowiedzieć – zapewne znacznie więcej, niż kiedyś przypuszczał muzykalny młody astronom, stawiający pierwsze kroki w nauce.

Ciąg dalszy w wersji pełnej