Vesto Melvin Slipher – zapomniany odkrywca ucieczki galaktyk (1875-1969)

Antoni Czechow mawiał, że z opowieści trzeba usunąć wszystko, co nie ma związku z narracją: „Jeśli w pierwszym rozdziale mówisz, że na ścianie wisi strzelba, to w drugim albo trzecim rozdziale musi ona koniecznie wystrzelić”. Zamiana historii w narrację też polega na oczyszczeniu ze zbędnych szczegółów, często jednak prawdziwy sens wydarzeń ujawnia się dopiero po wielu latach.

Z dzisiejszej perspektywy największym odkryciem astronomicznym wieku XX było stwierdzenie, że wszechświat się rozszerza. Coś takiego nie śniło się nigdy żadnemu z filozofów: wszechświat miał być stabilnym fundamentem dla człowieka i powinien być w związku z tym trwały, najlepiej niezmienny. Okazało się tymczasem, że ludzkość razem z całym Układem Słonecznym stanowi jedynie epizod w dziejach większej i ruchomej całości.

Odkrycie rozszerzania wszechświata dokonywane było na raty i w sumie zajęło około dwudziestu lat. Zrozumienie tego, co właściwie odkryto, zajęło jeszcze dłużej. W pierwszym akcie spotykamy Vesto Sliphera, a rolę strzelby na ścianie pełni spektrograf. Miejsce akcji to prywatne obserwatorium we Flagstaff, w stanie Arizona, na skraju płaskowyżu Colorado. Założył je Percival Lowell, bogaty biznesmen i dyplomata, który pasjonował się kulturą Dalekiego Wschodu, a także kanałami na Marsie i w ogóle kwestiami życia pozaziemskiego. Spektrograf potrzebny był początkowo do badania prędkości obrotu planet – jest to możliwe przy wykorzystaniu efektu Dopplera: linie widmowe zmieniają położenie, gdy źródło się przybliża albo oddala od nas. Dźwiękową wersję efektu Dopplera znamy z sytuacji, gdy mija nas np. elektrowóz wysyłający sygnał ostrzegawczy. Dźwięk jest wyższy, gdy źródło się przybliża, a niższy, gdy się oddala (dźwięki wyższe mają wyższą częstotliwość). Pomiary tego typu mogły ewentualnie rozstrzygnąć pewne niewyjaśnione kwestie, nie było np. wiadomo, czy Wenus obraca się szybko wokół osi, czy nie. Ponieważ wszystko, co widać na Wenus, to biała atmosfera bez żadnych znaków szczególnych, astronomowie nie byli pewni. Slipher ustalił, że Wenus z pewnością nie wiruje tak szybko jak Ziemia. Jego wyniki wytrzymały próbę czasu, choć na rozstrzygnięcie przyszło poczekać ponad sześćdziesiąt lat. Dopiero dzięki pomiarom radarowym wyjaśniło się, że Wenus wiruje z okresem 243 dni i w dodatku w przeciwnym kierunku do większości planet. Pierwszy akt był dygresją.

expanding-slipher-a1-lg

Slipher stał się szybko znakomitym obserwatorem. Był jednak nieśmiały i mało przedsiębiorczy, przepracował we Flagstaff czterdzieści lat i spędził w tym niedużym mieście większość życia. Często musiał zajmować się tematami, które narzucił mu Lowell, choć w wolnych chwilach prowadził różne pionierskie i ważne obserwacje. Wykrył np., że w widmach wielu gwiazd widać linie widmowe pochodzące nie od gwiazdy, lecz obłoku gazu położonego gdzieś na linii widzenia między gwiazdą a nami. Było to bardzo istotne, materia międzygwiazdowa pochłania światło i wpływa przez to na oceny odległości różnych obiektów. W drugim akcie Slipher zajął się mgławicami spiralnymi. Lowell interesował się nimi, uważając, iż są może powstającymi układami planetarnymi. Było to kompletne nieporozumienie, naprawdę są one galaktykami jak nasza i położone są bardzo bardzo daleko, ale wtedy jeszcze nie wiedziano tego na pewno. Uzyskanie dobrego widma mgławicy spiralnej było wyczynem obserwacyjnym, tym bardziej, że Slipher miał do dyspozycji teleskop soczewkowy o średnicy obiektywu 61 cm, zaprojektowany do badań planet, zwłaszcza do tego, aby odkryć planetę za Neptunem. W grudniu 1910 uzyskał pierwsze widmo mgławicy w Andromedzie, a w 1912, naświetlając płytę fotograficzną przez sześć godzin, uzyskał widmo na tyle dobre, że mógł wyznaczyć jej prędkość radialną (wzdłuż linii widzenia). Nie dowierzał temu, co zobaczył, powtarzał fotografie, naświetlając jedną z nich nawet przez trzy noce. Pracował na granicy możliwości technicznych i wciąż ulepszał swój spektrograf. Wynik był zaskakujący, ale potwierdzał się: mgławica w Andromedzie zbliża się do nas z ogromną prędkością 300 km/s. Potem zmierzył prędkość mgławicy NGC 4594 w Pannie: oddala się ona od nas z prędkością 1000 km/s. Tak wielkie prędkości były zaskakujące, zwłaszcza gdy patrzyło się na te obiekty z planetarnego punktu widzenia: prędkość Ziemi wokół Słońca to 30 km/s i to są typowe wartości. W sierpniu 1914 roku na zjeździe astronomów w Evanston, Illinois, Slipher ogłosił wyniki dla 14 mgławic. Większość z nich oddala się szybko od nas. Zebrani zgotowali mu owację na stojąco, rzadką na takich konferencjach, jednak obserwacje były znakomite i poszerzały granice tego, co możliwe do uzyskania. Slipher zaczął uważać mgławice za oddzielne galaktyki: wszechświaty wyspowe – jak się wówczas mówiło – skupiska gwiazd niczym wyspy na oceanie są bowiem przedzielone ogromnymi pustymi obszarami.

W 1922 roku Slipher przesłał 41 prędkości galaktyk Arthurowi Eddingtonowi, który pisał właśnie książkę o teorii względności. Duże prędkości radialne galaktyk zaczęto powoli postrzegać jako problem kosmologiczny. Na razie nie prowadziło to jednak do żadnych konkluzji, brakowało danych na temat odległości galaktyk. Jeśli wyniki Sliphera przedstawić w zależności od obserwowanej jasności, to zarysowuje się niezbyt oczywista zależność: słabsze galaktyki na ogół oddalają się szybciej.

van der berghWykres pochodzi z pracy: S. van den Bergh, Early history of the distance scale problem, w: The Extragalactic distance scale, M. Livio, M. Donahue, N. Panagia (red.), Cambridge University Press 1997.

Rozstrzygnięcie nastąpiło w trzecim akcie. Obserwacje Sliphera zostały wykorzystane przez Edwina Hubble’a, wschodzącą gwiazdę astronomii obserwacyjnej, przy użyciu teleskopu o średnicy zwierciadła 254 cm na Mount Wilson w Kalifornii. Hubble zaczął wyznaczać odległości do galaktyk. Rozstrzygnął w ten sposób pozytywnie kwestię wszechświatów wyspowych. Jego skala odległości była wprawdzie siedem razy za mała, ale proporcje odległości po raz pierwszy wyznaczono mniej więcej prawidłowo. W 1929 roku Hubble opublikował pracę wiążącą prędkości wyznaczone przez Sliphera z odległościami wyznaczonymi przez siebie. Wyglądało to tak:

F1.large

Prędkość oddalania się galaktyki jest proporcjonalna do jej odległości, zbliżanie się jest tylko pewnym szumem statystycznym. Na większych odległościach zależność staje się coraz wyraźniejsza. W następnych latach Hubble zebrał więcej danych. Niezbyt chętnie wspominał w swych pracach Sliphera, zaczął to robić dopiero wtedy, gdy sam nauczył się mierzyć widma jeszcze dalszych obiektów i mógł już nie obawiać się konkurencji. Slipher nie miał zresztą żadnych szans, decydował lepszy teleskop. Poniżej pokazujemy współczesną wersję zależności Hubble’a.

F3.large

Robert P. Kirshner, Hubble’s diagram and cosmic expansion, PNAS, t. 101 (2004), s. 8-13. Megaparsek (Mpc) to 3,26 miliona lat świetlnych. Na czerwono zaznaczony jest zasięg pierwszej pracy E. Hubble’a.

Jaki jest sens tego odkrycia, najważniejszego w XX wieku, a może w ogóle w dziejach astronomii? Dalekie obiekty oddalają się od nas tak, jak to widać na rysunku.

exp1

Znaczy to, że dwa razy dalsza galaktyka oddala się z dwa razy większą prędkością. Gdy podzielimy odległość przez prędkość, znajdziemy czas, kiedy owa galaktyka była bardzo blisko nas. Prawo Hubble’a stwierdza, że ten czas jest taki sam dla wszystkich galaktyk i równy około 14 miliardów lat. Inaczej mówiąc, 14 miliardów lat temu cała materia była bardzo gęsta, wszechświat zaczął się od Wielkiego Wybuchu. Dość długo nie rozumiano, co to wszystko znaczy. Wzdragano się także przed przyjęciem „wybuchowego” początku świata. Obecnie nie ma wątpliwości: tak właśnie zaczął się wszechświat, który znamy. Być może przed nim były inne albo równolegle do niego istnieją inne, nie zmienia to jednak faktu, że dosłownie zanurzeni jesteśmy w historii, historia życia na Ziemi jest tylko epizodem większej historii wszechświata, w której przyszłość jest zupełnie inna niż przeszłość.

Fred Hoyle opowiada, jak w latach pięćdziesiątych specjalnie nadłożył drogi, aby spotkać się z Vesto Slipherem. Podczas gdy Edwin Hubble został ikoną astronomii obserwacyjnej, o Slipherze wiedzieli nieliczni. Pisze Hoyle: „Pamiętam go jako szczupłego mężczyznę o siwych włosach (miał chyba wówczas dobrze powyżej sześćdziesiątki), być może nieco zgorzkniałego – i słusznie mógłby ktoś powiedzieć. Jednak rozgoryczniem chleba się nie posmaruje” [przeł. M. Krośniak, F. Hoyle, Mój dom kedy wieją wiatry, Warszawa 2001].

Reklamy

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s