Popularyzacja nauki to dość trudna dziedzina. Wielu naukowców wręcz nie lubi albo nawet boi się podejmować tego tematu, inni natomiast go uwielbiają. Popularyzować trzeba jednak z wielkim wyczuciem. Nie chodzi tylko o dostosowanie przekazu do wiedzy odbiorcy, ale też jest to w pewnym stopniu balansowanie pomiędzy atrakcyjnością przekazu, a jego swoistym realizmem. Tutaj niestety popularyzatorzy zbyt często puszczają wodzę fantazji przez co odbiorca wyrabia sobie błędne przekonanie o tym jak działa nauka.
Opowiem państwu trochę o astronomii, przedstawiając nieco naukowej kuchni. Chciałby, abyście czytając pozycję popularnonaukową potrafili nieco krytycznie podejść do treści tam prezentowanych. Astronomia obserwacyjna korzysta właściwie z jednego narzędzia, jakim jest teleskop. Oczywiście teleskopy są różnych sortów. Mogą to być zwyczajne teleskopy optyczne, mogą to być radioteleskopy, mogą to być detektory rentgenowskie itp. Część z nich trzeba wynosić na orbitę, gdyż atmosfera pochłania większość zakresów promieniowania. Od jakiegoś czasu poza falami elektromagnetycznymi w astronomii możemy też podpierać się detektorami neutrin. No i właściwie na tym koniec.
Spróbujmy więc zastanowić się jak astronomia bada gwiazdy. Gwiazdy były właściwie pierwszym (oprócz planet) obiektem zainteresowania astronomii i od czasu wynalezienia teleskopu w dużej mierze właśnie gwiazdom astronomowie poświęcali uwagę. Dzisiaj w książkach możemy oglądać wspaniałe obrazki gwiazd, ich przekroje, charakterystyki. Możemy poczytać o ich ewolucji, od obłoku materii, fazy protogwiazdy, fazy ciągu głównego, aż po czerwonego olbrzyma, na białym karle, gwieździe neutronowej, czy czarnej dziurze kończąc. Skąd astronomowie czerpią wiedzę na ten temat, czy to wszystko widać w teleskopie?
Nie.
Gwiazda w teleskopie pozostaje takim samym punktowym obiektem, jakim widzimy ją gołym okiem. Nie licząc kilku skrajnych przypadków, nie możemy zobaczyć powierzchni gwiazdy. Nie chodzi nawet o to, że przeszkadza nam w tym atmosfera. Gwiazdy są tak małymi (w sensie wielkości kątowej) obiektami, że nie dają się uchwycić z powodów fizycznych ograniczeń samego zwierciadła teleskopu. Po prostu przyrząd optyczny ma pewną fizyczną granicę rozdzielczości i nie da się uzyskać lepszej nawet dzięki teoretycznie idealnej technologii wykonania. Jak więc obserwując te punktowe źródła światła możemy wnioskować cokolwiek na temat ich prawdziwego kształtu, rozmiaru, temperatury, masy, czy wręcz ewolucji?
Obserwacje astronomiczne można podzielić na dwa typy. Pierwszy to fotometria, która polega na pomiarze jasności gwiazdy, a dzięki zastosowaniu różnych filtrów, także na pomiarze barwy. Siła fotometrii to jednak nie pojedynczy pomiar, który nie mówi zbyt wiele, lecz analiza zmian tych parametrów w czasie. Jeśli gwiazda zmienia swoją jasność i barwę, jest to już cenna wskazówka. Drugi typ to spektroskopia. W odróżnieniu od fotometrii, którą można wykonać nawet dla bardzo słabych i ledwie widocznych gwiazd, spektroskopia wymaga lepszych, jaśniejszych obiektów, ale i liczba uzyskiwanych informacji jest znacznie większa. Spektroskopia polega na skierowaniu światła gwiazdy na spektroskop, tj. urządzenie działające jak pryzmat. W ten sposób uzyskujemy widmo gwiazdy, a więc rozkład natężenia światła w funkcji jego barwy (długości fali).
Obraz uzyskany przez spektrograf. Każdy poziomy pasek to widmo jednej gwiazdy (oraz otaczającego jej nocnego nieba). Z materiałów własnych autora.
Gwiazdy świecą niemalże tak jak teoretyczne ciało doskonale czarne, tj. wysyłają ciągłe widmo o określonym kształcie. Na to widmo nakładają się linie absorbcyjne powstające w zewnętrznej części gwiazdy tj. jej atmosferze. Konkretny pierwiastek w formie gazu, oświetlony widmem ciągłym będzie pochłaniał część tego światła wprowadzając właśnie owe linie do obserwowanego widma, a ich położenie będzie charakterystyczne i unikalne właśnie dla niego. W ten sposób można wnioskować o składzie chemicznym gwiazdy. Gdy więc astronomowie skierowali swoje spektrografy na światło słoneczne odkryli tam szereg pierwiastków, m.in. hel, który odkryto na Słońcu, zanim odkryto go na Ziemi. Oczywiście poza helem, znaleziono też wodór, a także inne popularne pierwiastki jak węgiel, tlen, żelazo, azot, krzem, siarkę, magnez i tak dalej. Pierwsi astronomowie wnioskowali więc, że skład chemiczny Słońca musi być bardzo podobny do tego, co możemy znaleźć na Ziemi. Odkrycie tych pierwiastków, to jednak ciągle mało, bo skąd wiedzieć jaki jest ich procentowy udział?
Spektrum gwiazdy po redukcji w astronomicznym pakiecie IRAF. Na widmie ciągłym widoczne liczne linie absorbcyjne. Z materiałów własnych autora.
W tym miejscu przechodzimy do tego co jest kluczem całej astrofizyki tj. do modelu. Astronomia może wydawać się piękna i romantyczna, ale tak naprawdę w obserwacjach nie ma nic więcej poza zmierzeniem jasności tej plamki i ew. uzyskania jej widma. Cała reszta nauki odbywa się z dala od teleskopu, gdzieś w pokoju na kartce, czy w komputerze. A tam cały romantyzm gdzieś znika. To ciężka praca intelektualna.
Aby więc dowiedzieć się czym jest gwiazda, trzeba zbudować jej teoretyczny model. Model to tak naprawdę zestaw fizycznych równań, do których podstawimy jakieś parametry obserwacyjne, aby otrzymać zestaw innych parametrów, które w całości dadzą nam spójny fizycznie obraz. Wiemy, że gwiazda jest kulą gazu. Skąd wiemy, że kulą? Tylko taki kształt z fizycznego punktu widzenia będzie stabilny. Wiedząc, że to kula, możemy rozpocząć modelowanie od przybliżenia jednowymiarowego, w którym jedynym parametrem jest promień od jej środka. Na początek zakładamy więc, że kula ta nie ma niejednorodności.
Piszemy więc równanie hydrostatyczne dla jakiegoś elementu materii w gwieździe. W równaniu tym zakładamy, że siła grawitacji materii dąży do ściśnięcia gwiazdy, a przeciwstawia się temu siła ciśnienia hydrostatycznego. Oczywiście ciśnienie będzie zależało od takich parametrów jak temperatura i gęstość materii. Gwiazda jednak świeci, temperatura będzie spadać, wraz z nim ciśnienie, a to nie zrównoważy już siły grawitacji. Aby więc gwiazda była stabilna, musi być w jej wnętrzu źródło energii. Znów musimy się tutaj odwołać do teorii, tym razem przemian jądrowych. Teoria ta mówi, że im wyższa temperatura, tym łatwiej te przemiany zachodzą. W jaki sposób energia z jądra gwiazdy transportowana jest na zewnątrz? Musimy napisać odpowiednie równanie transferu, a więc równanie opisujące emisje i absorbcję światła. To z kolei zależy od składu chemicznego, gęstości, ciśnienia, a także stopni jonizacji pierwiastków. W taki sposób budujemy więc nasz model. Pracujemy tak długo, aż uzyskamy zestaw spójnych parametrów opisujących cała gwiazdę od jej środka, aż do powierzchni. Potem przychodzi kolej na samą atmosferę. O ile model wnętrza gwiazdy pozwala określić jej globalne parametry, o tyle model atmosfery musi być w stanie odtworzyć całe widmo absorbcyjne. W ten sposób poznamy procentowy skład chemiczny atmosfery gwiazdy.
Tak naprawdę prawie wszystko co wiemy o gwiazdach, to efekt modelowania. Sama obserwacja jest tylko pewnym zestawem parametrów wejściowych. Cała reszta dzieje się w naszych głowach i komputerach. A przecież gwiazdy to tylko wierzchołek góry lodowej w temacie astronomii. Tak samo modelujemy całą masę innych punktowych źródeł światła jak np. kwazary czy układy symbiotyczne. Owszem są w astronomii obiekty, które w teleskopie dają niepunktowy obraz. Przykładowo galaktyki. Wiemy, że galaktyka jest np. spiralnym skupiskiem gwiazd dlatego, że taką ją widzimy w obrazie teleskopu. Niestety w tym przypadku mamy inny problem jakim jest skala czasu. Galaktykę obserwujemy jako pojedyncze zdjęcie z jej długiej historii. Za ludzkiego życia galaktyka nie zmieni się ani trochę. Skąd więc mamy wiedzieć jak zmieniała się na przestrzeni miliardów lat, jak ewoluowała? Znów dzięki modelowaniu. Tylko dynamiczny model opierający się na prawach fizyki może nam powiedzieć w jaki sposób galaktyka przybrała taki kształt jaki ma obecnie . Możemy więc pomierzyć pozycje gwiazd w galaktyce, możemy nawet policzyć ich prędkości, ale aby odpowiedzieć na pytanie czym tak naprawdę jest galaktyka, musimy to wymodelować. Do dzisiaj trwają debaty skąd bierze się spiralny charakter galaktyk, tak nietrywialny jest to problem
Taka jest więc siła modelu. Astronomia to nie piękne, zapierające dech w piersiach zdjęcia nieba. Astronomia to piękne matematycznie modele, będące efektem intelektualnej pracy ludzkiego mózgu.
Komentarze