Rebrík na kraj vesmíru

Tento blog je dlhý, pardon. Viem, blogy majú byť stručné a výstižné – no také príspevky máme na FB stránke Vedátor_SK . Tu chceme využiť priestor na texty, ktoré sa tam nezmestia. Autorom konkrétne tohto som ja – Samuel Kováčik – teoretický fyzik pôsobiaci na výskumnom inštitúte v Dubline.

Predstavte si, že ste na vysokej rozhľadni a užívate si krásny výhľad. Tesne pod vami sú stromy, ktoré v diaľke splývajú dokopy a tvoria jednu veľkú zelenú šmuhu. Vidíte, ako sa vlnia neďaleké kopce, a ak vám praje počasie, dovidíte aj do neďalekého mesta; z vysokých komínov pomaly stúpa dym.

‚‚Aha, tam bývame,‘‘ zhíknete a dodáte: ‚‚to musí byť aspoň 15 kilometrov.‘‘ Za takýchto ideálnych podmienok je odhad vzdialenosti malina. Vidíte, ako sa stromy postupne zmenšujú, odhadnete pokiaľ je to jeden kilometer, pokiaľ päť… no a domov je to zhruba trikrát tak ďaleko.

V noci by to bolo ťažšie. Všade je dokonalá tma, len v diaľke žiari malé svetielko. Teda, je to naozaj v diaľke? Možno je to len silný reflektor veľmi ďaleko či svetlo motorky kilometer od vás, alebo sa iba niekto blíži s baterkou.

Bez oporných bodov je to takmer nemožné zistiť. Môžete si chvíľu počkať, či svetlo nepríde k vám, alebo nezmení smer – no inak ste na mieste pomerne bezmocní.

Presne takýto problém rieši astronómia už od svojho vzniku. Skúma hviezdy – malé svetlá na čiernom pozadí, ku ktorým sa nedokážeme nijak priblížiť. Teda… keď k nim nemôžeme ísť, ako vlastne môžeme vedieť, že sú ďaleko?

Fungovanie tej najzákladnejšej astronomickej metódy je podľa mňa geniálne jednoduché. Môžete si ho vyskúšať hneď teraz! Pozostáva z dvoch krokov:

1. Vyberte si nejaký vzdialený bod, napríklad na stene, alebo ďaleký strom či lampu.

2. Bez toho, aby ste z vybraného bodu spustili zrak, nahnite sa doľava a potom zas doprava.

Bod ďaleko od vás sa vôbec nepohol, ale periférne ste videli, že bližšie veci sa zdanlivo hýbali – pričom čím boli bližšie, tým viac. Skúste sa s tým chvíľu pohrať – pozerajte sa do diaľky, pritom sa buď hýbte alebo kývte hlavou (chcem vidieť kývať vaše hlavy), a presvedčte sa, že sa periférne videné veci mierne hýbu.

No dobre, a čo z toho? Pomocou rozdielnej perspektívy a jednoduchej geometrie vieme zmerať vzdialenosť nebeských telies.

Pozrite sa na Mesiac na oblohe a vyberte si hviezdu, ktorú vidíte hneď vedľa neho – tak blízko, že sa ho prakticky dotýka. Teraz sa na tú istú hviezdu pozrite z iného miesta, ideálne vzdialeného pár stoviek kilometrov. Nemusíte tam ísť osobne, jednoducho zavolajte kamošovi a poproste ho o pomoc. Vysvetlite mu, ktorú hviezdu má pohľadať, a povedzte mu, že má zmerať o koľko je posunutá od Mesiaca. On vám nadiktuje výsledok a tým sa jeho úloha končí.

Obrázok: Mesiac vidíme voči hviezdnemu nebu trochu inak z Bratislavy a z Košíc. Ak poznáme vzdialenosť týchto miest, vieme dopočítať aj jeho vzdialenosť, autor obr: ja.

Jediné, čo zostáva spraviť vám, je zobrať pero, papier a zapojiť trochu geometrie – a s trochou šikovnosti si spočítate vzdialenosť Mesiaca. Pero, papier, uhlomer a sínusy či kosínusy mali už starovekí Gréci a nikoho asi neprekvapí, že tento nápad dostali (a zrealizovali) už dávno pred nami. Ich zvedavosť však siahala až k Slnku.

Postup je podobne jednoduchý – počkali si, kým bol Mesiac osvetlený presne z polovice. Keď bol dokonale pol na pol, odmerali čo najpresnejšie polohu Slnka. To stačilo na to, aby s trochou elementárnej geometrie (pravouhlý trojuholník) dopočítali jeho vzdialenosť.

Tento experiment Gréci opakovali s rôznymi výsledkami, mnohé boli pomerne mimo, no niektoré boli až prekvapivo presné – svoju úloha tak určite zohralo aj šťastie.

Obrázok: Jednoduchá geometria a znalosť vzdialenosti Mesiaca umožnila Grékom určiť vzdialenosť Slnka, autor obr: ja.

Dnes už nie sme odkázaní na takéto metódy a na čakanie na správnu konšteláciu na oblohe. Jedna zo zaujímavých metód je tak trochu inšpirovaná netopiermi.

Ako je možné, že netopier nenarazí do steny, aj keď nič nevidí? Je to preto, že používa echolokáciu – vydáva zvuk (niečo ako cmukanie) a vníma, za koľko sa k nemu vráti. Ak to trvá dlho, tak je prekážka ďaleko, no ak sa mu jeho vlastný zvuk vráti prakticky okamžite, musí zmeniť smer – prekážka je tesne pred ním. Podobne sa pomocou sonaru orientujú ponorky plávajúce v temnote hlbokých oceánov.

Obrázok: Tri aplikácie rovnakého princípu – odrazu vĺn. Zvukové vlny fungujú vo vzduchu aj vo vode, vo vákuu ich musia nahradiť svetelné vlny, autor obr: ja.

No a veľmi podobne funguje aj radar – len namiesto cmukania vyžaruje elektromagnetické vlny a počíta, za koľko sa odrazia od prekážky a vrátia sa k nemu. Niektoré špionážne lietadlá tieto vlny zachytia a k radaru sa žiadna informácia nevráti – pre radary sú tak zdanlivo neviditeľné. Dôležitú úlohu pri tejto metóde zohráva skutočnosť, že sa svetlo šíri šialene, no nie nekonečne, rýchlo.

Skutočnosť, že svetlo má konečnú rýchlosť, je známa už niekoľko storočí. Je to obdivuhodné, ak si uvedomíme, aká veľká rýchlosť svetla je. Kým lietadlo obletí Zem za zhruba deň, svetlo to zvládne zhruba za sedminu sekundy.

Rýchlosť svetla zmerali ľudia (už nie Gréci, ale Dán Ole Rømer) práve pomocou astronómie. Rømer si všimol, že Jupiterov mesiac Io vychádza spoza neho trochu skôr, keď je Jupiter bližšie k Zemi, a trochu neskôr, keď je ďaleko od nás. Správne usúdil, že v skutočnosti vychádza Io presne vtedy, kedy má – len svetlu z neho niekedy trvá dlhšie, kým dorazí k Zemi.

Obrázok: Mesiac vidíme vychádzať spoza Jupitera skôr, keď je k nám bližšie, lebo svetlo musí prejsť menšiu vzdialenosť, autor obr: ja.

Na podobnom princípe dnes dokážeme merať vzdialenosti rôznych planét a mesiacov. Napríklad blikneme radarom na Mesiac, počkáme ani nie tri sekundy a pípnutie sa vráti naspäť. Za tento čas preletelo takmer 800 000 kilometrov – čiže celú cestu na Mesiac a späť. Pomocou takýchto meraní vieme oveľa presnejšie určiť vzdialenosť ostatných planét a pomocou nich aj presnú vzdialenosť Slnka. A Slnko, priatelia, je prvý krok na vesmírnom rebríku.

Radarom však neurčíme ani vzdialenosť tej najbližšej hviezdy – Proximy Centauri. Môžeme však použiť metódu, ktorou Gréci zmerali vzdialenosť Mesiaca – akurát na steroidoch.

Princíp bol taký, že sa na vzdialený objekt pozrieme z dvoch rôznych bodov a porovnáme uhly, pod ktorými ho vidíme. Žiaľ, Proxima Centauri vyzerá rovnako zo severného aj južného pólu.

Máloktorý problém vyrieši čakanie – tento však áno. Stačí si počkať presne pol roka. Zem krúži okolo Slnka a za pol roka sa presunie na najvzdialenejší možný bod oproti počiatku. A ak vieme, ako ďaleko je Zem od Slnka, tak vieme, o koľko sme sa za polrok pohli – dvojnásobok tejto vzdialenosti, úctyhodných 300 miliónov kilometrov. Ak si porovnáme fotky nočnej oblohy v lete a v zime, uvidíme drobné rozdiely, pomocou ktorých dokážeme (rovnako jednoduchou gréckou geometriou) dopočítať vzdialenosti blízkych hviezd.

Žiaľ, ani toto nestačí – aj keď sme sa posunuli o 300 miliónov kilometrov, mnohé z hviezd sa prakticky nepohli. Nedalo by sa vymyslieť niečo ešte šikovnejšie? Dalo.

Vráťme sa k príkladu z úplného začiatku – v noci sa pozeráme z vysokej rozhľadne a vidíme svetielko. Silný zdroj ďaleko vyzerá ako slabý zdroj blízko a tak iba pozeraním jeho vzdialenosť neurčíme. Ak by nám však niekto povedal, že zdrojom svetla je 40 wattová žiarovka, dokážeme vzdialenosť spočítať (nemôže byť ani veľmi blízko, lebo by sa javila oveľa svetlejšia, no ani veľmi ďaleko – lebo by sme ju nevideli).

Veľké šťastie astronómie je, že vo vesmíre takéto „žiarovky“ existujú. Ide o špeciálny druh hviezd, ktoré blikajú. Tieto hviezdy, tzv. cefeidy, zároveň bývajú rôzne jasné. No a ako si uvedomila americká astronómka Henrietta Swan Leavitt – medzi ich jasom a frekvenciou blikania je súvis.

V príklade so žiarovkou by to znamenalo, že napríklad 20-wattové žiarovky bliknú každé 2 sekundy a 50-wattové každých 5. Keď vidíte neznámy zdroj svetla, spočítate, ako často bliká, a z toho viete, ako silno svieti. A porovnaním s tým, že aký silný ho vidíte, spočítate jeho vzdialenosť.

Ak chcú astronómovia zmerať vzdialenosť nejakého objektu, musia nájsť (k nemu) neďalekú cefeidu, zmerať ako bliká, a postupovať rovnako ako v príklade so žiarovkou. Tak trochu z historických dôvodov sa cefeidám hovorí štandardné sviečky, no podľa nášho príkladu sú to skôr štandardné žiarovky.

Obrázok: Cefeida RS Puppis, jedna z najjasnejších v našej galaxii, zdroj: Hubble telescope.

Problémom cefeíd je, že sú to len hviezdy – a tie nevidno cez celý vesmír. Čo však vidno je, sú supernovy – teda obrovské explodujúce hviezdy, ktoré na krátky okamih prežiaria aj celú galaxiu. Supernov je veľa druhov a jeden z nich, supernova typu Ia, má dôležitú vlastnosť – vykazuje súvis medzi spôsobom, akým hviezda vybuchuje a ako jasne svieti. Keď presne zaznamenáme výbuch supernovy, vieme spočítať jej absolútny jas, a tak znovu slúži ako štandardná sviečka – no teraz taká, ktorú je vidno naprieč vesmírom.

Vďaka takýmto pokusom vieme povedať, aká veľká je naša galaxie, ako ďaleko sú susedné galaxie; a nepríjemné zistenie je, že vzdialenosti vo vesmíre sú naozaj obrovské. Ruku na srdce – to sa predsa dalo očakávať. No práve vďaka meraniu vzdialeností sa podarilo spraviť objav, ktorý je bez preháňania tou najfascinujúcejšou vecou, akú sme kedy zistili – vesmír, tak ako ho poznáme, tu kedysi nebol.

Predstavte si, ako stojíte na prechode pre chodcov a čakáte na zelenú. Semafor pípa, autám naskakuje oranžová a zrazu si nejaký blázon povie, že to ešte stíha. Na semafore naskakuje červená, on dupne na plyn a preletí okolo vás: „vzzzzzUUUMMM“.

Všimli ste si niekedy, že autá (špeciálne sanitky) či nízko-letiace lietadlá znejú inak, keď sa k vám približujú, ako keď sa vzďaľujú? Zhruba povedané – zvukové vlny sa stláčajú, keď sa ich zdroj približuje, a naťahujú, keď sa vzďaľuje. Volá sa to Dopplerov efekt.

Svetlo je tiež vlna (elektromagnetická) a tak sa s ním deje niečo podobné. Detaily sú trochu zložitejšie, ale princíp je podobný. Vlnová dĺžka svetla je skrátená, ak sa k vám zdroj približuje, a predĺžená, ak sa vzďaľuje. Krátke vlnové dĺžky odpovedajú modrej farbe, dlhé zas červenej. Približujúci sa zdroj sa tak javí modrejší a vzďaľujúci sa zas červenší.

V astronómii to má jasné využitie – ak sa hviezda javí červenšia, než má byť, tak sa od nás vzďaľuje, pričom čím je červenšia, tým rýchlejšie. Naopak, hviezdy, čo sa približujú, vidíme jemne modrejšie.

Keď sa rozhliadneme po okolitých galaxiách, tak by sme očakávali, že sa budú niektoré približovať a niektoré zas vzďaľovať. Prvý takýto systematický výskum spravil Edwin Hubble a jeho zistenia boli bez preháňania šokujúce – takmer všetky okolité galaxie sa od nás vzďaľujú.

Buď sme pupok vesmíru alebo sa deje niečo zvláštne. Možnosť B je správna – vesmír sa rozpína. Nerozpína sa však tak, ako keď z natlakovanej nádoby vystrelia konfety, ktoré sa rozletia po celej miestnosti. Rozpína sa tým, že pribúda priestor medzi jednotlivými objektami. Ak by sme dlhým špagátom zmerali vzdialenosť medzi nami a ďalekou galaxiou, zistili by sme, že je ďalej dnes než bola včera – aj keď sa zdanlivo nehýbe.

Červený posun svetla tak nespôsobuje pohyb galaxií od nás. Spôsobuje ho skutočnosť, že kým k nám svetlo doletí, vesmír sa trochu roztiahne a svetlo sa roztiahne spolu s ním. Preto k nám prichádza vždy trochu červenšie a nie modrejšie.

Obrázok: Po Hubblovi je pomenový najznámejší teleskop, ktorý spravil aj túto fotku rodiska hviezd (hviezdy vznijakú všelikde, ale tu vo veľkom počte), zdroj: Hubble telescope.

No a meraním tohoto červeného posunu dokážeme zmerať vzdialenosť aj tých najvzdialenejších objektov vo vesmíre.

Čím je svetlo červenšie, tým je natiahnutejšie. Čím je natiahnutejšie, tým dlhšie k nám muselo letieť. Čím dlhšie k nám muselo letieť, tým ďalej sa nachádza jeho zdroj.

Ako ďaleko sa nachádzajú tie najvzdialenejšie (najsčervenalejšie) objekty, ktoré vidíme? Poďme si vyšľapať vesmírny rebrík pekne odspodu.

Vzdialenosti vo vesmíre sú také veľké, že používať bežné jednotky ako metre či kilometre, je nepraktické. Namiesto toho sa udáva čas, ktorý trvá svetlu, kým preletí danú vzdialenosť. Ako sme už spomínali, obvod Zeme je jedna sedmina svetelnej sekundy.

Blízke astronomické objekty, ktorých vzdialenosť dokážeme odmerať viac-menej priamo (radarom či podobne), je bežne v svetelných sekundách (Mesiac zhruba 1,5 svetelnej sekundy), minútach (Slnko 8 svetelných minút) či hodinách (Pluto päť a pol hodiny).

Ak poznáme presnú vzdialenosť Slnka, vieme paralaxovou metódou merať blízke hviezdy. Tá najbližšia, Proxima centauri, je vzdialená 4 svetelné roky.

Keď poznáme vzdialenosť blízkych hviezd, vieme skúmať cefeidy a aj pomocou nich vieme, že naša domovská galaxia, Mliečna cesta, má rozmer zhruba 100 000 svetelných rokov. Náš blízky sused – galaxia Andromeda – je vzdialená asi 2,5 milióna svetelných rokov.

Pomocou týchto údajov študujeme supernovy, ktoré dokážeme pozorovať aj na vzdialenosť miliardy svetelných rokov! A vďaka týmto údajom vieme určiť, ako sa rozpína vesmír (odmerať tzv. Hubblovu konštantu).

Vesmír sa rozpína – a to znamená, že veci boli kedysi bližšie, než sú dnes. Ak by sme si nahrávku s vesmírom pustili odzadu, videli by sme, ako sa vzdialenosti skracujú. Relatívne jednoduchým výpočtom sme zistili, že pred zhruba 13,7 miliardami rokov boli vzdialenosti nulové. Od tohto bodu, ktorý voláme Veľký tresk, sa vesmír neprestajne rozpína.

Svetlo z prvých galaxií, ktoré vznikali pár stoviek miliónov rokov po Veľkom tresku, k nám letelo zhruba 13 miliard rokov, no počas celej tej doby sa vesmír rozpínal, a tak je ich skutočná vzdialenosť ešte väčšia. Najvzdialenejší objekt, ktorý sa nám kedy podarilo pozorovať, je teraz vzdialený 32 miliard svetelných rokov!

Obrázok: Galaxia v plienkach – najvzdialenejší (a teda aj najstarší) videný objekt. Pozeráme sa 13.4 miliardy rokov do minulosti (vesmír má 13.8 miliardy rokov), zdroj: Hubble telescope.

Kvôli tomu, že sa vesmír rozpína (a toto rozpínanie sa dokonca zrýchľuje), existujú miesta, ktoré neuvidíme nikdy. Kým svetlo z nich preletí jeden meter k nám, pribudne medzi nami viac než meter priestoru. Nikdy neuvidíme objekt, ktorý je dnes vzdialenejší ako 47 miliárd svetelných rokov – čo je hranica tzv. viditeľného vesmíru. K tejto hranici sme sa priblížili pomerne dosť (viď. predchádzajúci odstavec) – Hubblov teleskop dovidí takmer všade, kam sa len dá! No túto hranicu (asi) nedokážeme nikdy prekonať.

Je fascinujúce, že ľudstvo dovidí až takmer na kraj viditeľného vesmíru, ktorý obsahuje asi desiatky miliard galaxií, z ktorých každá obsahuje asi desať miliard hviezd, z ktorých na aspoň malom zlomku takmer určite existuje život, ktorý práve teraz tiež možno rozmýšľa, že aký veľký je vesmír.

Ak sa vám článok páčil, nezabudnite dať like facebookovej stránke Vedátor_SK.