Przewodnik podróżnika po gwiazdach - ebook

PRZEDMOWA

Życie to podróż, którą czasami może być także i książka. Ta podróż rozpoczęła się, kiedy w 1999 roku poproszono mnie o poprowadzenie projektu NASA dotyczącego badań nad napędem międzygwiezdnym. Z zapałem przeczytałem praktycznie każdą książkę techniczną poświęconą podróżom międzygwiezdnym. Byłem do tej pracy poniekąd przygotowany. Jestem fizykiem, dlatego wiedziałem, że zrozumiem podstawy i rozwikłam problemy matematyczne stanowiące podstawę różnych technologii napędu projektowanych w ostatnich 40 latach. Wiedziałem też, że naukowcy na poważnie rozważali temat. Dorastając, od czasów gimnazjum aż po studia, czytałem przynajmniej jedną książkę science fiction (powieść lub antologię opowiadań) tygodniowo, dlatego sądziłem, że jestem przygotowany psychicznie, aby w kreatywny sposób podejść do tematu. Tak mi się przynajmniej wydawało.

Projekt badań nad napędem międzygwiezdnym był finansowany przez dwa lata, po czym NASA postanowiła przeznaczyć środki na inne cele. Moje podejście do tematu zmieniło się jednak wcześniej. Podczas pracy nad projektem zarządzałem różnego rodzaju eksperymentami, począwszy od żagli napędzanych energią słoneczną, laserami czy mikrofalami, po te polegające na rozszczepianiu jąder atomów, fuzji jądrowej i wykorzystaniu antymaterii, wierząc, że podróże gwiezdne są możliwe. Może jeszcze nie wiemy, jak zaprojektować czy zbudować niezbędne systemy napędowe, ale nie ma żadnego powodu – z punktu widzenia nauki – dla którego opisane w tej książce układy i technika nie mogłyby stać się rzeczywistością. Wraz z zamknięciem projektu i ja skończyłem bezpośrednie prace nad tymi zagadnieniami, przetrwało jednak moje osobiste zaangażowanie w kwestię podróży międzygwiezdnych.

Poza moimi obowiązkami w NASA, wraz z grupą bliskich przyjaciół założyłem TVIW – Tennessee Valley Interstellar Workshop, edukacyjną organizację non profit. Naszym celem jest stworzenie przyszłości, w której podróże międzygwiezdne będą możliwe. Organizacja TVIW odniosła o wiele większy sukces, niż kiedykolwiek śmieliśmy przypuszczać i obecnie zasponsorowała już siedem sympozjów, przekazała współdzielącym nasze zainteresowania studentom tysiące dolarów w formie stypendiów i nadzorowała publikację wielu oryginalnych artykułów badawczych w prestiżowych dziennikach naukowych. Z czasem organizacja TVIW przekształciła się w grupę badawczą Interstellar Research Group, na temat której można uzyskać więcej informacji poprzez stronę www.irg.space.

To jest właśnie moja podróż. Ale w takim razie, o co chodzi z tą książką? Otóż stanowi ona owoc mojego silnego przekonania, że nasi potomkowie z gatunku Homo sapiens będą pewnego dnia żyć na planecie orbitującej wokół innej gwiazdy. To będzie pierwszy krok w wielkim procesie, w którym życie z naszej Ziemi zasiedli pozostałą część wszechświata. Jest to cel, do którego realizacji chcę się przyczynić i który pochłonął większą część mojego życia osobistego w ciągu ostatnich kilku lat.

Wraz z moim agentem podsunęliśmy wcześniejszą wersję tej książki kilku wydawnictwom już 10 lat temu, jednak nie spotkała się ona z zainteresowaniem. Miało to miejsce przed odkryciem egzoplanet, przed rewolucją w zakresie dostępu do przestrzeni kosmicznej, którą zapoczątkowały firmy SpaceX i Blue Origin, oraz przed powstaniem takich organizacji jak 100 Year Starship czy Breakthrough Initiatives, które wpisały się w świadomość ludzi zainteresowanych tematami naukowymi. Dlatego współredagowałem (wraz z autorem bestsellerów Jackiem McDevittem piszącym dla „The New York Times”) antologię, w której obok siebie umieściliśmy oryginalne opowiadania science fiction i eseje popularnonaukowe, noszącą tytuł Going Interstellar: Build Starships Now! Antologia została wydana przez wydawnictwo Baen Books, zajmujące się publikacją pozycji z gatunku science fiction, i odniosła sukces, co doprowadziło w końcu do wydania kolejnej podobnie skonstruowanej antologii (również przez wydawnictwo Baen Books) pod tytułem Stellaris: People of the Stars, nad którą pracowałem z Robertem Hampsonem.

Przez przypadek i w zasadzie ot tak stworzyłem i przesłałem projekt tej książki do wydawnictwa Princeton University Press. Niespodziewanie szybko odpowiedzieli, wyrażając swoje zainteresowanie. Po wielu rozmowach telefonicznych z Jessicą Yao doszliśmy do porozumienia co do kształtu książki, którą masz w rękach.

Chciałem, aby Przewodnik podróżnika po gwiazdach był łatwy w czytaniu, dostępny i zrozumiały dla każdego – nie tylko naukowców czy inżynierów. Na rynku jest dostępnych wiele innych technicznych książek na ten temat i nie było potrzeby, aby tworzyć kolejną. Ta pozycja jest dla osób, które zmienią opisywane przeze mnie podróże w rzeczywistość. Jest dla ludzi, którzy będą szukać grantów na swoje prace, oraz dla tych, którzy pośrednio, a może nawet osobiście rozpoczną jedną z takich podróży. Nie dotrzemy do gwiazd, jeśli naszych zamiarów nie będzie wspierało społeczeństwo, czyli my wszyscy.

Podróż to jednak jedynie początek. Pragnę przedstawić Ci przyświecającą mojemu życiu wizję, która pojawiła się po jednym z niezwykle trudnych szkoleń z zakresu zarządzania, tak popularnych w większych firmach. Nie pamiętam dokładnie, kiedy to było, ale pamiętam, że poproszono nas o wyrażenie w jednym zdaniu swojego zawodowego celu (lub celów). Mój był prosty. Od tego momentu powtarzam go sobie wielokrotnie: „Kiedy kolonizatorzy przyszłości zasiedlą egzoplanetę i napiszą książkę na temat tego, w jaki sposób powstał ich nowy świat, chciałbym, aby moje pomysły techniczne stanowiły w niej przypisy”.

Niniejsza książka stanowi kolejny krok w mojej podróży w kierunku bycia cytowanym w książce wydanej przez ludzi na innej planecie. Mam nadzieję, że okaże się miłą lekturą, która przy okazji nauczy cię paru rzeczy.

Pragnę poinformować Czytelników o sposobie, w jaki wyrażam miary w książce. Zastosowałem mieszankę systemów metrycznego i imperialnego (obecnie stosowanego wyłącznie w Stanach Zjednoczonych). Jaki jest tego powód? Pracując dla NASA, myślę metrycznie – w gramach i kilogramach, metrach, milimetrach itd. Ale w domu myślę i pracuję w calach, funtach i milach. Wybory, których dokonuję w konkretnych przypadkach, mogą wydawać się przypadkowe, ale dla mnie jednostki miar odzwierciedlają sposób, w jaki myślę o świecie, oraz sposób, w jaki myśli wielu moich Czytelników ze Stanów Zjednoczonych.PODZIĘKOWANIA

Na wcześniejszym etapie kariery, choć nie pamiętam dobrze, kiedy to było, poproszono mnie o poprowadzenie Zespołu ds. Technologii Napędów Międzygwiezdnych w NASA (dzięki czemu mam naprawdę wyjątkową wizytówkę). Pierwszą rzeczą, jaką zrobiłem, było napisanie do mojego ówczesnego kolegi, doktora Roberta Forwarda, z prośbą o poradę. Bob Forward, tak jak sugeruje jego nazwisko (z ang. naprzód, w przyszłość), był jednym z najbardziej pomysłowych naukowców, z którymi kiedykolwiek pracowałem. Wydał wiele pionierskich prac, głównie przełomowych artykułów technicznych, opisując, w jaki sposób znana nam fizyka może umożliwić odbywanie podróży międzygwiezdnych. Z Bobem współpracowałem przez cały czas w zakresie innego rodzaju technologii (space tether propulsion, kosmiczny napęd uwięziowy lub napęd oparty na przewodzącej uwięzi), a w momencie, gdy rozpocząłem przygotowania do rozpoczęcia nowego projektu badawczego, był dla mnie po prostu mentorem. Jako że nie miałem do dyspozycji jeszcze żadnych środków finansowych, zmuszony byłem czekać na początek kolejnego roku podatkowego w Stanach Zjednoczonych, aby zlecić jakiekolwiek prace techniczne. Miałem jednak dostęp do niezależnie finansowanego programu, który umożliwiłby członkowi kadry uniwersyteckiej odbycie letniego stażu w NASA w charakterze konsultanta i opiekuna naukowego. Bob polecił mi doktora Gregory’ego Matloffa z New York City College of Technology (City Tech), którego wówczas jeszcze nie znałem.

Bob przedstawił nas sobie, a doktor Matloff (Greg) zgłosił się do udziału w letnim programie badawczym dla kadr uniwersyteckich i kilka miesięcy później wraz ze swoją żoną, C Bangs, rozpoczął pracę w jednym z centrów lotów kosmicznych NASA – Marshall Space Flight Center. Greg jest współautorem, razem z Eugene’em L. Mallove’em, przełomowej książki w temacie podróży międzygwiezdnych – The Starflight Handbook: A Pioneer’s Guide to Interstellar Travel – stanowiącej dla mnie techniczny punkt odniesienia w zakresie wszelkich kwestii dotyczących podróży międzygwiezdnych. Projekt technologii napędów międzygwiezdnych trwał tylko dwa lata, zanim został zamknięty, a ja zacząłem pracę nad innymi zagadnieniami. Greg i C powrócili do Nowego Jorku, a nasza formalna współpraca w NASA zakończyła się.

To jednak było kluczowe lato, które zaowocowało wieloletnią przyjaźnią i współpracą w życiu osobistym pomiędzy Gregiem, C a mną, która obejmuje współautorstwo w zakresie wielu artykułów technicznych i książek, do których przepiękne ilustracje sporządziła C, będąca uznaną artystką. To właśnie dzięki Gregowi i C zaangażowałem się w niewielką, lecz prężną społeczność pasjonatów podróży międzygwiezdnych, która motywuje mnie do pracy po dziś dzień (i to nawet mimo tego, że kontaktujemy się praktycznie wyłącznie wtedy, kiedy nie pracuję, co oznacza wieczory i weekendy). Greg i C stali się nie tylko moimi kolegami z pracy, lecz także przyjaciółmi. Opieka naukowa, którą zapewnił mi Greg, była dla mnie, i w zasadzie nadal jest, prawdziwym darem od losu.

Bob Forward odszedł jednak z naszej społeczności zbyt szybko. Zmarł w 2002 roku, niedługo po tym, jak przedstawił mnie Gregowi i C. Jego wkład w dziedzinę będzie cytowany w artykułach technicznych przez najbliższe stulecia. Nie każdy ma szansę pracować z takim mentorem. Dziękuję za to, że ja miałem taką możliwość.

Dziękuję kilku osobom, które przeczytały tę książkę, upewniając się, że jej treść jest poprawna, i że nie opuściłem niczego, co byłoby istotne. Byli to:

• Jim Beall (emerytowany inżynier jądrowy)

• Darren Boyd (ekspert ds. łączności kosmicznej w NASA)

• Bill Cooke (kierownik Biura ds. Otoczenia Meteoroidowego)

• Eric Davis (The Aerospace Corporation)

• Robert E. Hampson (profesor, Wake Forest School of Medicine)

• Andrew Higgins (profesor, Uniwersytet McGill)

• Bill Keel (profesor, The University of Alabama)

• Ron Eitchford (główny technolog, Space Propulsion Systems, NASA MSFC)

• Ken Roy (emerytowany inżynier)

• John Scott (główny technolog, Space Power and Propulsion, NASA JSC)

• Cathe Smith (Cambridge Technologies)

• Nathan Strange (NASA JPL)

• Angelle Tanner (profesor, Mississippi State University)

• Slava Turyshev (starszy pracownik naukowy, NASA JPL)

• Sonny White (dyrektor ds. zaawansowanych badań i rozwoju, Limitless Space Institute)

Dziękuję moim Koleżankom i Kolegom z Interstellar Research Group (dawniej Tennessee Valley Interstellar Workshop). Wpadli oni na szalony pomysł organizacji w południowo-wschodnich rejonach USA specjalistycznej konferencji dotyczącej podróży międzygwiezdnych. Spotkanie przekształciło się w regularnie odbywającą się, znaną na całym świecie i popularną konferencję międzynarodową oraz w organizację, która oferuje stypendia studentom publikującym przełomowe badania. Świat potrzebuje więcej takich marzycieli.

Chciałbym również podziękować wielu innym naukowcom wizjonerom, inżynierom, futurystom i pisarzom science fiction, którzy zaoferowali mi rady, inspirację, koleżeństwo, wyzwania intelektualne i wsparcie przez wiele lat. Bez nich moje życie i kariera potoczyłyby się w zupełnie innym, choć może nie tak ciekawym, wymagającym i fajnym kierunku. Podziękowania niech przyjmą:

• Koleżanki i koledzy z NASA – Joe Bonometti, Carmine DeSanctis, Robert Frisbee, Greg Garbe, Dan Goldin, Andy Heaton, Stephanie Leifer, Andy Montgomery, Rae Ann Meyer, Chris Rupp, Kirk Sorensen; wszyscy, którzy wnieśli swój wkład w projekt technologii napędów międzygwiezdnych NASA; Steve Cook, Leslie Curtis, Gary Lyles i zespół Advanced Space Transportation w NASA; Brian Gilchrist, Joe Carroll, Rob Hoyt i zespół zajmujący się napędem uwięziowym, oraz pracownicy zajmujący się projektem i wykonujący zadania w ramach programu Near-Earth Asteroid Scout and Solar Cruiser NASA. (I wiele innych osób, które przypadkowo pominąłem, za co przepraszam).

• Społeczność badaczy międzygwiezdnych – Jim Benford, Giancarlo Genta, Paul Gilster, Harold Gerrish, Mae Jemison, Philip Lubin, Claudio Maccone, Rhonda Stevenson, Giovanni Vulpetti i Pete Worden.

• Autorzy science fiction, którzy wywarli wpływ na moje życie – Stephen Baxter, Ben Bova, Arthur C. Clarke, Jim Hogan, Jack McDevitt, Larry Niven, Jerry Poumelle, David Weber, Toni Weisskopf oraz wszyscy wspaniali pisarze i redaktorzy z wydawnictwa Baen Books.

• Moja bardzo wyrozumiała rodzina – zawsze wspierająca mnie i kochająca małżonka Carol, moje troskliwe, motywujące mnie dzieci, Carl i Leslie, i oczywiście moi rodzice, Charles i June Johnson, którzy zachęcali mnie do podążania za moją pasją.

Dziękuję również mojej agentce – Laurze Wood – oraz stażystce Danielle Magley, redaktor technicznej, która pomogła mi poprawić manuskrypt i nadać mu odpowiednią formę, dzięki czemu mogłem przesłać książkę do wydawcy.SKRÓTY

---------- -----------------------------------------------------------------------
ASTP program zaawansowanego transportu kosmicznego
bps bity na sekundę
c prędkość światła
CERN Europejska Organizacja Badań Jądrowych
CRISPR zgrupowane, regularnie przerywane, krótkie powtórzenia palindromiczne
DSN program Deep Space Network (globalna nadawczo-odbiorcza sieć anten)
E energia
E-żagiel żagiel elektryczny
F siła
g gram
Gbps miliard bitów na sekundę
GCR promieniowanie kosmiczne
GPS globalny system pozycjonowania
IRG międzynarodowa grupa badań w zakresie podróży międzygwiezdnych
ISM ośrodek międzygwiazdowy
Isp impuls właściwy
j.a. jednostka astronomiczna
JPL Laboratorium Napędu Odrzutowego
kg kilogram
km kilometr
LEO niska orbita okołoziemska
ly rok świetlny
MSFC Centrum Lotów Kosmicznych imienia George’a C. Marshalla
NASA Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej
NEA obiekty bliskie Ziemi
r odległość radialna od Słońca
RPS radioizotopowy generator mocy
RTH radioizotopowy generator termoelektryczny
sek. sekunda
SETI program poszukiwania sygnałów radiowych i świetlnych
SHP fizyka solarna i heliosferyczna
TVIW Tennessee Valley Interstellar Workshop
---------- -----------------------------------------------------------------------WSTĘP

Od samego początku istnienia ludzie spoglądali w gwiazdy i zadawali sobie istotne pytania: „Kim jestem?”, „Skąd się tu wziąłem?”, „Czy ktoś lub coś jeszcze tam jest?”. W miarę jak nasz gatunek odkrywa kosmos i przygotowuje się do podjęcia pierwszego kroku w kierunku gwiazd, jesteśmy coraz bliżej uzyskania odpowiedzi. Gwiazdy są czymś więcej niż tylko pięknymi punktami na nocnym niebie. Bardzo, bardzo odległe skrywają nowe światy. Trudno w to uwierzyć, ale aż do wczesnych lat dziewięćdziesiątych XX wieku jedyne miejsca w kosmosie, o których mieliśmy (z naukowego punktu widzenia) pojęcie, stanowiły ciała orbitujące dookoła naszego Słońca. Z upływem czasu lista znanych nam egzoplanet, z których część znajduje się w zamieszkiwalnej strefie swoich gwiazd, wydłuża się, a ludzie zaczynają się zastanawiać, jak moglibyśmy kiedyś do nich dotrzeć i je odkryć. Pomimo optymizmu, którym wykazywała się wczesna era podboju kosmosu, nasz rozwój w tym kierunku jest wolniejszy, niż oczekiwano. To nie tak, że nie próbujemy, po prostu liczba wyzwań stojących na przeszkodzie jest tak wielka, że wręcz zniechęcająca.

Najbliższa nam gwiazda, Proxima Centauri, jest oddalona o około 4,2 roku świetlnego. To znaczy, że światło, które podróżuje z prędkością 186 000 mil na sekundę (ok. 300 000 km/s), potrzebuje ponad 4 lat, aby przemierzyć tę odległość. Dla wielu ludzi wyrażanie odległości w taki sposób nie ma sensu – ilu z nas ma rzeczywiste odniesienie do prędkości światła? Aby zobrazować ten problem, pomyślmy o mniejszych odległościach i o kwestiach, z jakimi musimy sobie poradzić, aby je pokonać. Sonda kosmiczna Voyager, wystrzelona w 1977 roku, jest najbardziej oddalonym obiektem kiedykolwiek wysłanym z naszej planety – emisariuszem, który dotarł najdalej.

W momencie pisania tej książki Voyager 1 jest oddalony o mniej więcej 156 jednostek astronomicznych (j.a.), czyli 156-krotność średniej odległości Ziemi od Słońca, wynoszącej 93 miliony mil (149,6 mln km), i potrzebował ponad 44 lat, aby się tam dostać. Aby uzyskać aktualne informacje dotyczące lokalizacji sondy Voyager, warto odwiedzić stronę internetową NASA pod adresem https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/. Jeśli sondy Voyager podróżowałyby w odpowiednim kierunku, potrzebowałyby mniej więcej 70 000 lat, aby dotrzeć do gwiazdy Proxima Centauri – a to jest przecież najbliższa nam gwiazda. Czas trwania takiej misji należy wyrażać w latach, a nie w tysiącleciach, bo w innym przypadku taka misja nie będzie miała racji bytu.

Napęd nie stanowi jednak jedynego wyzwania. W jaki sposób pojazd kosmiczny komunikowałby się na taką olbrzymią odległość? Jak uzyskiwałby energię z dala od jakiejkolwiek gwiazdy, przemierzając całkowite ciemności? Uzyskanie prędkości, która umożliwiłaby skrócenie podróży, zwiększyłoby ryzyko uszkodzenia pojazdu na skutek kolizji z pyłem międzygwiezdnym. Takie zdarzenie byłoby katastrofalne w przypadku podróży z dużą prędkością, wynoszącą choćby i ułamek prędkości światła.

Na szczęście wydaje się, że natura umożliwiła odbywanie podróży międzygwiezdnych z dużą prędkością bez konieczności tworzenia nowych praw fizyki. Napędy oparte na fuzji jądrowej, antymaterii lub energii przekazywanej laserem wydają się z punktu widzenia fizyki możliwe do zbudowania i użycia, jednak konstrukcja takich układów w odpowiedniej skali stanowczo wykracza poza nasze obecne możliwości.

Rozpoczęcie takiej ostatecznej podróży jest możliwe, jeśli uprzednio dokonamy kolonizacji większości planet naszego układu. Podróże międzygwiezdne będą wymagały zastosowania nowych technik i technologii, wprowadzenia nowych ram etycznych dotyczących eksploracji, dzięki którym będziemy w stanie uniknąć błędów przeszłości, oraz wizjonerskiego podejścia na miarę budowy wspaniałych europejskich katedr. Rozpoczynający nowe projekty muszą mieć świadomość, że zostaną one zakończone nie przez nich samych, a przez przyszłe pokolenia.

Istnieje też pytanie „dlaczego?”. Dlaczego mielibyśmy odbyć podróż w kierunku innych gwiazd? W zasadzie w jakim celu prowadzimy eksplorację kosmosu? W ciągu pierwszych pięćdziesięciu kilku lat podboju kosmosu opracowaliśmy przekonywające i prawie powszechnie uznane powody przemawiające za eksploracją przestrzeni i rozwojem infrastruktury nieopodal Ziemi oraz na jej orbicie. Satelity pogodowe umożliwiają meteorologom przekazywanie w miarę dokładnych prognoz pogody na kilka dni i tygodni, pomagają nam również opracować ścieżki przejścia huraganów i cyklonów, ratując ludzkie życie. Satelity komunikacyjne łączą świat, dzięki czemu w czasie rzeczywistym wiemy, co dzieje się w dowolnym miejscu na naszej planecie. Satelity przekazują kanały telewizyjne i niektóre rozmowy przeprowadzane w sieciach komórkowych. Rozwija się oferta szerokopasmowego dostępu do Internetu z każdego miejsca na świecie dzięki sieci satelitów komunikacyjnych. Satelity szpiegowskie pomagają utrzymać pokój, umożliwiając monitorowanie operacji militarnych, dzięki czemu praktycznie nie ma zagrożenia niespodziewanym atakiem, co stanowi ważny element bezpieczeństwa strategicznego w naszym uzbrojonym po zęby w broń atomową świecie. Satelity globalnego systemu pozycjonowania umożliwiają nam uzyskanie wskazówek, jak dojechać do nowych miejsc, i są niezbędne, aby zapewnić funkcjonowanie naszego współzależnego świata i globalnej gospodarki. Przestrzeń wokół Ziemi stanowi niezbędny element naszego codziennego życia i dobrobytu.

Wielu ludzi uważa, że kolejnym, logicznym krokiem jest rozwój przestrzeni cislunarnej, czyli obszaru pomiędzy orbitą Ziemi a orbitą Księżyca. NASA i inne narodowe agencje kosmiczne planują w nadchodzących latach wysłać ludzi na Księżyc i uważa się, że nowe produkty i usługi zrodzą się tam tak, jak powstały na orbicie Ziemi. Kolejnym krokiem będzie eksploracja Układu Słonecznego, a potem nastąpi podbój gwiazd.

Jako naukowiec uważam, że istnieje ważny powód, dla którego powinniśmy badać kosmos, łącznie z przestrzenią poza naszym niewielkim Układem Słonecznym, jednak nie jest on związany z kwestiami ekonomicznymi czy zwrotem nakładów ekonomicznych. Ten powód to wiedza – powinniśmy zdobywać więcej informacji na temat wszechświata, tego, co w nim jest i jak działa. Wszelkiego rodzaju techniki i technologie, które wykorzystujemy, aby funkcjonować w XXI wieku, zrodziły się w głowach naukowców żyjących we wcześniejszych epokach, którzy zadawali sobie podobne, ważne pytania. Odpowiedzi na nie mogły nie mieć lub nie musiały mieć bezpośredniego odzwierciedlenia w wynikach ekonomicznych, czy nadawać się do praktycznego zastosowania w codziennym życiu. Rozwój ludzkiej wiedzy jest równie ważnym powodem jak każdy inny.

Te poglądy rodzą obiekcje i kłopotliwe problemy etyczne, które przychodzą do głowy, gdy myślimy o ekspansji ludzkości w kosmos i w kierunku gwiazd (wiele z nich omówiłem w rozdziale 3, Podróże międzygwiezdne w kontekście).

Podróże międzygwiezdne są możliwe, ale bardzo trudne. Czy jesteśmy gotowi, aby sprostać temu wyzwaniu?1
WSZECHŚWIAT CZEKA

Kosmos jest wielki. Naprawdę wielki. Nie uwierzyłbyś, jaki wielki, gigantyczny, szalenie olbrzymi jest kosmos. Może dla ciebie droga do drogerii to niezły kawałek, ale w porównaniu z kosmosem to pryszcz.

Douglas Adams, Autostopem przez Galaktykę

Do wczesnych lat dziewięćdziesiątych XX wieku jedynymi ludźmi, którzy wiedzieli o istnieniu planet krążących wokół innych gwiazd, byli fani gatunku science fiction. To oni śledzili na ekranie telewizora kapitanów Kirka, Picarda, Janeway, Sisko i innych, którzy każdego tygodnia odwiedzali nowe, dziwne światy, albo z ekscytacją oglądali, jak Luke Skywalker i księżniczka Leia przywracają pokój w odległej galaktyce. No dobrze – niezupełnie wiedzieli, ale stan faktyczny nie odbiega daleko od prawdy. Do końca XX wieku astronomowie byli przekonani, że istnieją inne planety i że krążą wokół swoich gwiazd, ale brakowało im konkretnych dowodów na ich istnienie. Opierali się wyłącznie na założeniu, że nasz Układ Słoneczny nie jest wyjątkiem, lecz stanowi jeden z wielu układów planetarnych, które znajdują się w naszej Galaktyce – Drodze Mlecznej – i innych galaktykach we wszechświecie.

Pierwsze planety pozasłoneczne, tak zwane egzoplanety, zostały odkryte w orbitach pulsarów – miejscach niezwykle nieprzyjaznych życiu. Pulsary to szybko obracające się gwiazdy neutronowe, które emitują regularne impulsy promieniowania, w tym fale radiowe, fale gamma i promieniowanie rentgenowskie, o częstotliwości około 1000 impulsów na sekundę. Częstotliwość występowania impulsu każdego pulsara jest stała i przewidywalna do tego stopnia, że rozważa się możliwość skorzystania z nich w zakresie astronawigacji (patrz rozdział 7, Konstrukcja pojazdu kosmicznego). Niewielkie wariacje w zakresie generowanych impulsów doprowadziły do wniosku, że zaobserwowane nieregularności zostały spowodowane orbitującymi planetami. Et voilà, oto pierwszy (pośredni) dowód na istnienie egzoplanet. Obserwatorzy nabrali dokładności wymaganej do podobnych wyczynów, a wkrótce potem astronomowie zaczęli wykrywać również planety pozasłoneczne orbitujące wokół gwiazd podobnych do Słońca poprzez analizę efektu Dopplera wytwarzanego przez zmiany położenia planet względem ich gwiazd. Ogólnie rzecz biorąc, z jednej strony gwiazda przyciąga krążące wokół niej planety, aby utrzymać je na orbicie, a z drugiej – planety oddziałują na gwiazdy. Z uwagi na różnicę mas ciał przyciąganie grawitacyjne działające na gwiazdę jest niezwykle małe w porównaniu z siłą przyciągania gwiazdy, jednak nie stanowi wartości zerowej. Dlatego podczas poruszania się po orbicie gwiazdy planeta będzie na tę gwiazdę oddziaływać, powodując jej delikatny ruch w kierunku planety. Gwiazda nieustannie emituje światło, dlatego jej ruch można zauważyć w formie niewielkiego efektu Dopplera – zmiany długości fali światła planety. Takie pomiary same w sobie umożliwiają oszacowanie tylko dolnej granicy masy planet, ale okazały się ważną wskazówką, dzięki której odkryliśmy wiele ciał (o masie Jowisza).

Około roku 2000 astronomom udało się odkryć egzoplanety przy użyciu metody obserwacji tranzytów. Najlepszym sposobem, aby zrozumieć zasadę jej działania, jest przywołanie na myśl obrazu zaćmienia Słońca. Przechodząc pomiędzy Ziemią a Słońcem na linii wzroku, Księżyc rzuca swój cień na Ziemię. Wyobraź sobie teraz nasz Układ Słoneczny spoza orbity Plutona. Gdy będziesz spoglądać na Słońce dostatecznie długo, przez twoje pole widzenia przejdzie w końcu któraś z ośmiu planet Układu. Dzięki zastosowaniu odpowiednio czułych instrumentów moglibyśmy dostrzec, jak światło generowane przez Słońce delikatnie słabnie, gdy jedna z planet znajdzie się pomiędzy instrumentem a Słońcem, blokując tym samym jego światło. Jeśli pozostalibyśmy w tym miejscu wystarczająco długo, kontynuując naszą obserwację, bylibyśmy teoretycznie świadkami wielokrotnego pełnego przejścia tej samej planety po orbicie Słońca, co skutkowałoby okresowym osłabieniem jego światła. Jeśli zmienilibyśmy cel naszej obserwacji na inną gwiazdę niż nasze Słońce, to przy użyciu bardziej czułych instrumentów moglibyśmy zaobserwować słabnięcie jej światła, powodowane planetami, które orbitują wokół niej w linii naszego wzroku. To jest właśnie metoda obserwacji tranzytów. Oczywiście, z uwagi na odległość i względnie niewielkie rozmiary planet w porównaniu z gwiazdami, wokół których orbitują, instrumenty wymagane do obserwacji słabnięcia światła musiałyby być niezwykle czułe, a oprogramowanie do przetwarzania uzyskanych danych bardzo skomplikowane. Analogią, którą lubię się posługiwać, jest próba ustalenia rozmiaru komara – będącego tu odpowiednikiem planety – gdy leci przed przednimi światłami twojego samochodu – symbolizującymi gwiazdę – w ciemną noc.

Istnieje mnóstwo innych metod wyszukiwania i opisywania egzoplanet i wiele lotów w kosmos wykonano właśnie w tym celu. W konsekwencji tych działań, jak podaje strona internetowa NASA poświęcona odkrywaniu egzoplanet, udało nam się odkryć i zweryfikować ponad 4000 egzoplanet, a kolejne 5000 potencjalnych egzoplanet dodatkowo oczekuje na niezależne zatwierdzenie.PRZYPISY

Podziękowania

Dziękuję Mateuszowi Biodrowiczowi, autorowi bloga Fajny Sprzęt Biodra, za dyskusje nad terminologią i innymi zagadnieniami podróży kosmicznych (przyp. red.).

Rozdział 1. Wszechświat czeka

A. Wolszczan, D. Frail, A planetary system around the millisecond pulsar PSR1257 + 12, „Nature” 1992, 355, s. 145–147, https://doi.org/10.1038/355145a0.

Exoplanet exploration: planets beyond our solar system, strona internetowa NASA, 17 grudnia 2015, https://exoplanets.nasa.gov/; L. Kaltenegger, J. Pepper, P.M. Christodoulou et al., Around which stars can TESS detect earth-like planets? The revised TESS habitable zone catalog, „The Astronomical Journal” 2021, 161, no. 5 (2021), s. 233, https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-3881/abe5a9.Giordano Bruno (1548–1600), włoski filozof, zakładał, że Słońce było tylko jedną z wielu gwiazd, wokół których krążyły planety. Przez głoszenie nie tylko tej, ale i innych herezji, został spalony żywcem na stosie w Rzymie.

Światło emitowane lub odbijane przez obiekty oddalające się od obserwatora zostaje rozciągnięte do nieco dłuższych fal ze względu na ruch obiektu. Światło emitowane lub odbite od obiektu poruszającego się w kierunku obserwatora zostaje analogicznie skompresowane do krótszych fal. Takie zjawisko nosi nazwę efektu Dopplera i jest powodem, dla którego radary ręczne używane przez policję są w stanie tak szybko określić, czy kierowca przekracza prędkość podczas jazdy.