100 lat temu poznaliśmy prawdę o Kosmosie

W ostatnich dniach NASA udostępniła w sieci niezwykłe zdjęcie Galaktyki Andromedy. Powstało ono w wyniku złożenia 600 zdjęć wykonanych z orbity Ziemi na przestrzeni 10 lat. W trakcie wykonywania zdjęć teleskop okrążył Ziemię 1000 razy. Andromedę tworzy według szacunków około bilion gwiazd, z których większości nie jesteśmy w stanie dostrzec, a bilion galaktyk takich jak ta, a także większych i mniejszych, rozsianych jest po poznanym przez astronomów Wszechświecie.

Oryginał zdjęcia ma rozmiar 2,5 gigapiksela i można na nim wyróżnić aż 200 milionów gwiazd, choć znajdują się one w odległości średnio 2,5 miliona lat świetlnych od Słońca. (fot: NASA)

W styczniu Andromedę (M31) zobaczymy w pierwszej połowie nocy nad zachodnim horyzontem (najlepsza pora do obserwacji to jesień). To jedna z czterech galaktyk widocznych z Ziemi gołym okiem, a dwóch, które dojrzymy z Polski. Drugą jest M33. Obserwacje wymagają jednak niezaświetlonego nieba, a od obserwatora dobrego wzroku, by Andromeda objawiła się jako mała rozmyta plamka w konstelacji o tej samej nazwie. W rzeczywistości to tylko jasne jądro tej galaktyki. Jej cały dysk, który widzimy z Ziemi pod niewielkim kątem, rozciąga się na niebie na obszarze porównywalnym z sześcioma Księżycami w pełni. Widać to dopiero na fotografiach. Im lepszy sprzęt, tym lepsze zdjęcia.

To najlepsze jakim dziś dysponujemy wykonał teleskop kosmiczny Hubble’a.  Lepszej nazwy nie mógłby mieć. Nadano ją na cześć człowieka, którego obserwacje gwiazd w tej właśnie galaktyce położyły kres dysputom na temat tego czy Droga Mleczna jest całym Wszechświatem (gorącym orędownikiem tej teorii był na początku XX w. Harlow Shapley), czy jednak jest jednym z wielu tzw. "wszechświatów wyspowych", jak kiedyś określano galaktyki, czego zwolennikiem był Heber Curtis. Podobną sugestię przedstawił już w XVIII w. niemiecki filozof Immanuel Kant, choć podpowiadała mu to intuicja, a nie fakty. Dopiero na początku XX wieku astronomowie zyskali odpowiedni aparat naukowy, w tym możliwość wykonywania zdjęć nieba i odpowiednio potężne teleskopy, by ich wątpliwości zostały rozwiane.

Absolwent wydziału prawa i były trener koszykówki, ale przede wszystkim astronom

Amerykanin Edwin Hubble pamiętany jest jako jeden z największych astronomów w historii, którego odkrycia zapoczątkowały w astronomii rewolucję podobną do kopernikańskiej, tyle że w znacznie większej skali, liczonej w miliardach lat świetlnych. Jego życie to też doskonały dowód na to, że w zdrowym ciele, zdrowy duch, a także i bardzo lotny umysł. Hubble, którego fascynował zarówno sport jak i kosmos w 1910 r. ukończył studia na kierunku Matematyka i Astronomia na Uniwersytecie Chicagowskim. Potem jednak wyjechał do Anglii, gdzie na Uniwersytecie Oksfordzkim studiował prawo, co obiecał umierającemu ojcowi. Po powrocie nie poświęcał zbyt wiele czasu nowej profesji. Szybko podjął pracę nauczyciela fizyki i języka hiszpańskiego, a także trenera szkolnej drużyny koszykarskiej w New Albany w Indianie.

Obejrzyj w

Hubble w 1914 r. rozpoczął swój doktorat, a tuż po jego ukończeniu w 1917 r. zaciągnął się do armii. Trafił do Francji, ale nie dane było mu już zaznać walk podczas I wojny światowej. Astronomię odłożył na bok także w trakcie II wojny światowej. Tym razem jako cywilny pracownik armii pracujący nad udoskonaleniem broni artyleryjskiej. Pod koniec życia mógł napawać się sławą, a nie zajmować pracą astronoma, która w tamtych czasach bez komputerów wcale nie była komfortowa. Pomiarów jasności gwiazd dokonywano poprzez porównywanie szklanych klisz fotograficznych i to gołym okiem jedna po drugiej. Nocą trzeba było cały czas pilnować pozycji teleskopu, nawet zimą, przebywając wewnątrz kopuły, a w dużych teleskopach nawet wewnątrz jego konstrukcji. A jednak Hubble do końca życia wolał poświęcać się pasji, którą zaszczepił w nim przed laty dziadek prezentując pierwszy teleskop. Hubble zmarł w 1953 r. podczas przygotowań do kolejnej serii obserwacji.

Niesłysząca córka pastora i mierzenie odległości w kosmosie

W 1919 r. w wieku 30 lat Hubble rozpoczął pracę w Mount Wilson, gdzie od 1914 r. pracował także Shapley. Z tym obserwatorium Hubble pozostał związany do końca życia. Korzystał tam z 2,5-metrowego teleskopu Hookera, który po uruchomieniu w 1917 r. stał się największym instrumentem optycznym na świecie. Co ciekawe, średnica orbitalnego teleskopu Hubble’a jest bardzo podobna. Pod koniec życia Hubble przyczynił się do powstania teleskopu Hale’a o ponad 5-metrowym zwierciadle. Instrument zlokalizowany w obserwatorium Palomar w Kalifornii miał debiut w 1949 r. Hubble czynił honory jako pierwszy obserwator.

Konikiem młodego astronoma u progu wielkiej kariery była natura mgławic spiralnych, za które uważano wtedy galaktyki. Większość astronomów sądziła, a za nimi także ludzie nie zajmujący się nauką, że są to obiekty w granicach Drogi Mlecznej, o naturze mgławicy gazowej. Galaktykę z kolei traktowano jako cały Kosmos. Nie było mowy o jego wielkoskalowej strukturze, supergromadach czy ścianach galaktyk, wielkich pustkach, nie mówiąc już o ciemnej materii czy energii. A koncepcja dynamicznego Wszechświata, czy nawet Wielkiego Wybuchu, choć tliła się w głowach takich teoretyków jak Georges Lemaître z Belgii czy Aleksander Friedmann, jeszcze czekała na zaakceptowanie przez świat nauki. 

Po lewej zdjęcie oryginalnej płyty na której Hubble zidentyfikował Cefeidę w Andromedzie. Po prawej obserwacje tej gwiazdy z teleskopu Hubble'a (fot: Carnegie Observatories / NASA)

W czasach zacofanych poglądów, nawet z perspektywy dzisiejszego laika, astronomowie otrzymali niezwykły prezent. Od wówczas niedocenianej Henrietty Leavitt, córki pastora, która już w 1912 r. odkryła jedną z ważniejszych zależności w astronomii. Dotyczy ona tak zwanych gwiazd typu Cefeida (taką gwiazdą jest np. Gwiazda Polarna), w przypadku których można powiązać okres zmian obserwowanej jasności (okres pulsacji) z rzeczywistą jasnością. Pozwala to z obserwacji wydedukować rzeczywistą odległość do Cefeidy. W pierwszej połowie XX w. obserwacje nie były jeszcze tak dokładne jak obecnie, a relacja tak dobrze określona, ale wystarczyło to Hubble’owi. Po raz pierwszy określił on odległość do Cefeidy, zidentyfikowanej w galaktyce Andromedy.

To nie mgławice, to odległe galaktyki, takie jak Droga Mleczna

1 stycznia 1925 r. podczas konferencji Amerykańskiego Stowarzyszenia Astronomicznego w Waszyngtonie, przedstawione zostały wyniki z obserwacji Hubble’a prowadzonych od października 1923 r. Wniosek mógł być tylko jeden - Andromeda nie jest częścią Drogi Mlecznej. Tym samym Hubble zapoczątkował przełom w astronomii i położył kres trwającym od dwóch stuleci dyskusjom, których apogeum miało miejsce w 1920 r. Wtedy w trakcie Wielkiej Debaty w Narodowym Muzeum Historii Naturalnej, Shapley i Curtis dyskutowali o naturze kosmosu, jego rozmiarze, i tym czym są te spiralne mgławice. Bez konsensusu, a pełnej racji nie miał żaden z nich.

Od 100 lat żyjemy w Kosmosie, który uważamy za ogromny. Wypełnionym miliardami galaktyk, które zajmują przestrzeń dziesiątek miliardów lat świetlnych. Przed 1925 r. nie byliśmy tego tacy pewni. Gdyby Edwin Hubble nie miał na początku lat 20. XX wieku dostępu do tak potężnego instrumentu jak teleskop Hookera (zdjęcie powyżej), prawdziwą naturę Wszechświat skrywałby jeszcze przez pewien czas. (fot: Carnegie Observatories)

Hubble dowiódł, że Andromedy nie można traktować jako obiektu, który ma stosunkowo niewielkie rozmiary. Andromeda okazała się nie tylko odległa, ale musiała być też galaktyką podobnie jak Droga Mleczna. Hubble zaszczepił w astronomach przekonanie o wielkoskalowej naturze Wszechświata. W kolejnych latach wnioski były uściślane, a także rozszerzane na kolejne mgławice spiralne, które z czasem już bez wątpliwości nazywano galaktykami. Hubble opracował także system klasyfikacji typów galaktyk, który wciąż jest używany przez astronomów.

Schemat klasyfikacji galaktyk jaki opracował Hubble. (fot: NASA)

W odkryciu Hubble’owi pomogły wyliczenia samego Shapleya. Ten drugi popełnił błąd w kwestii budowy Wszechświata, zawłaszczył nawet odkrycia panny Leavitt dotyczące Cefeid i kosmicznej drabinki odległości (zestawu metod pomocnych w określaniu dystansu w kosmosie). Lecz dzięki tej wiedzy jako jeden z pierwszych w miarę dobrze określił rozmiar Galaktyki i miejsce gdzie znajduje się jej centrum (konstelacja Strzelca). Wyniki Hubble’a i Shapleya różniły się od dzisiejszych, bo pierwszy z nich twierdził że Andromeda znajduje się 900 tysięcy lat świetlnych od Ziemi, a drugi rozmiar Drogi Mlecznej oszacował na 300 tysięcy lat świetlnych. Ta rozbieżność wystarczyła, by wyciągnąć wniosek dziś uznawany za przełomowy w hisotrii astronomii.

Dziś wiemy, że odległości i rozmiar są inne. Galaktyka w Andromedzie znajduje się 2,5 miliona lat świetlnych od nas, a dysk Galaktyki ma rozpiętość około 100 tysięcy lat świetlnych. Ten błędny szacunek odległości do Andromedy przekładał się na ówczesny błąd w określeniu rozmiaru, który Hubble ustalił dla tej galaktyki na 45 tysięcy lat świetlnych. Dziś rozmiar największej z sąsiadek Drogi Mlecznej oceniamy na około 3 razy większy.

Niezwykły astronom, który nie doczekał się nagrody Nobla

W 1915 r. Albert Einstein opublikował ogólną teorię względności. W zawartych w niej formułach zastosował czynnik zwany stałą kosmologiczną. Była ona potrzebna, by uniknąć wynikającej z wzorów możliwości zapadnięcia się kosmosu pod wpływem własnej grawitacji. Potem Einstein traktował wprowadzenie tej stałej jako największy błąd w życiu, choć rezygnacja z niej po wizycie w obserwatorium Mount Wilson w 1931 r. też nie była najfortunniejszym rozwiązaniem. Dziś w epoce, gdy astrofizycy głowią się nad kwestią rozszerzającego się i to coraz szybciej Wszechświata, tego typu czynnik w równaniach jest przydatny.

O rozszerzaniu się Wszechświata teoretyzowali już wspomniani Lemaître i Friedmann. Dla galaktyk obserwowano też poczerwienienie wiążące się z ich oddalaniem od obserwatora, jednak Vest Slipher o największym dorobku w tej dziedzinie, nie wiedział jak to ubrać w odpowiednią formułę. Udało się to Hubble’owi dzięki obserwacjom 46 galaktyk. W opublikowanej w kwietniu 1929 r. pracy zawarta została relacja między odległością galaktyki i prędkością z jaką się oddala (znana dziś jako prawo Hubble’a-Lemaître’a). Hubble postulował nie tylko rozszerzanie się Wszechświata, ale nawet jego początek, gdy cała materia była w jednym miejscu, co było zgodne z przewidywaniami Lemaître’a (jego wkład w koncepcję Wielkiego Wybuchu długo nie był doceniany).

Edwin Hubble podczas pracy w obserwatorium Mount Wilson. (fot: Carnegie Observatories)

Brak wystarczająco precyzyjnych danych skutkował błędną oceną wieku Wszechświata przez Hubble'a na jedynie 1,8 miliarda lat, a nie 13,8 miliarda jak twierdzimy dziś. Mimo tego i późniejszych wątpliwości samego Hubble'a, co do własnych obliczeń, położył on podwaliny pod teorię, którą z czasem nazwano teorią Wielkiego Wybuchu. Nazwisko tego astronoma użyte jest przy stałej, która determinuje tempo rozszerzania się Kosmosu. Obecnie ta stała jest źródłem ogromnego zamieszania ze względu na różnice w jej wyliczeniach za pomocą różnych metod (tzw. napięcie Hubble’a).

Pogląd, że Wszechświat rozpoczął się od Wielkiego Wybuchu znalazł z kolei obserwacyjne potwierdzenie w odkryciu promieniowania reliktowego. Za jego obserwacje Arno Allan Penzias i Robert Woodrow Wilson otrzymali Nobla. Nagrodę, której nie dane było odebrać Hubble’owi. Zmarł on w tym samym roku, gdy zgłoszono jego kandydaturę. Był to efekt wieloletniej batalii Hubble’a, by astronomię uznać za część fizyki i dać astronomom szanse na otrzymanie nagrody. Nobla w 1923 r. otrzymał z kolei Robert Milikan za wyznaczenie ładunku elektrycznego elektronu i potwierdzenie efektu fotoelektrycznego - to u niego praktykował w trakcie studiów Hubble.

Dziedzictwo Hubble’a

Kopernik ruszył Ziemię, a Hubble rozszerzył Wszechświat. Gdy dziś wpiszemy do przeglądarki hasło "dziedzictwo Hubble’a"  jako wynik nie wyskoczy nam podsumowanie dokonań naukowca, a podsumowanie obserwacji teleskopu kosmicznego. Z tego względu można uznać tego naukowca za nieco zapomnianego - częściej słyszymy o astronomicznym narzędziu nazwanym jego imieniem, niż o samym astronomie. Z drugiej strony obserwacje wspomnianego teleskopu są jednak dziedzictwem astronoma, który pozwolił nam wyjrzeć poza nasze podwórko. Odkrycia Hubble’a natchnęły astronomów do poszukiwania nowych wyjaśnień obserwowanych zjawisk i obiektów. Można też powiedzieć, że Hubble nawrócił Shapleya, kolegę z pracy, który zajął się katalogowaniem dziesiątek tysięcy galaktyk. Shapley stał się też gorącym zwolennikiem idei grupowania się tych obiektów w duże gromady (najbliższa supergromada nazwana jest od jego nazwiska), czym uzupełniał prace Hubble'a.

Teleskop Hubble'a. (fot: NASA)

Odkrycia sprzed stulecia wpłynęły na społeczeństwo, kulturę, a nawet sposób w jaki pojmowana jest wiara. Ludzie zaczęli bardziej interesować się Kosmosem, jak naprawdę powstał i tym jaką rolę odgrywa w nim człowiek. Astronomia stała się docenianą nauką, co pozwoliło na większe inwestycje w infrastrukturę naziemną, a potem także kosmiczną. Od dawna inspiruje już nie tylko sam astronom i historia jego odkryć, ale też obserwacje wykonane teleskopem nazwanym na jego cześć. W tym roku mija 35 lat od jego umieszczenia na orbicie Ziemi.