Aktualności,  Astronomia

Jak daleko, jak blisko?

Zapewne od zarania ludzkości, otaczający nas kosmiczny teatr fascynował bogactwem i tajemniczością swej, zwłaszcza nocnej scenografii. Nietrudno zrozumieć, że w takiej scenerii znajdowały swe źródło wierzenia dawnych ludów we wszelkich rejonach i zakątkach naszej planety. Jednak o zalążkach astronomicznego spojrzenia na ten spektakl możemy mówić od zaledwie kilku tysięcy, a nie milionów lat.

Z pewnością największe zainteresowanie wzbudzało Słońce, w drugiej kolejności Księżyc. Jednak charakterystyczna orientacja niektórych grobowców sprzed 6,5 tysiąca lat świadczy, że wcześniej kierowano się również miejscami wschodów i zachodów jasnych gwiazd, ustawiając kurhany w linii wyznaczonej przez te punkty horyzontu.
W niewielkiej skali czasowej niezmienne w przypadku gwiazd, miejsca wschodów i zachodów Słońca zmieniają się w skali roku wręcz z dnia na dzień i chyba to było jednym z najwcześniejszych zadań dla praastronomów z epoki kamiennej. Świadczą o tym wciąż nowo odkrywane konstrukcje kamiennych i ziemnych kręgów, zapewne stanowiących niejako prototypy późniejszych instrumentów pomiarowych. Najsłynniejszy z takich obiektów, powstała na początku trzeciego tysiąclecia p.n.e. ogromna budowla megalityczna Stonehenge na południu Anglii, stanowiła niewątpliwie miejsce kultu Słońca, którego położenia obserwowano za pomocą wielkiego kręgu pionowych kamiennych słupów, często na różnych wysokościach łączonych od
góry poziomymi, również kamiennymi, belkami. Pozostałości po takich kamiennych (ale również drewnianych) budowlach – kromlechach, odnajdywane są na wszystkich kontynentach. Najstarsze z nich powstały 5,5 tysiąca lat temu. Budowano je m.in. wokół grobowców, ustawianych w wytyczanym przez Słońce kierunku, prawdopodobnie służyły również do plemiennych spotkań „pod
czujnym okiem” Słońca, w terminach dyktowanych przez jego położenia. Analiza rozmieszczenia elementów tych budowli wskazuje na zainteresowanie głównie ekstremalnymi położeniami Słońca względem horyzontu, w dniach letniego i zimowego przesilenia. W wielu jednak przypadkach widać, że służyły one też podobnym obserwacjom położeń Księżyca.
Kult Słońca dominował również w wierzeniach starożytnych Egipcjan. Powszechnie chyba znany jest fakt, że egipskie piramidy, o kwadratowych podstawach, są usytuowane zgodnie z czterema kierunkami świata. Wymagały więc od ich budowniczych znajomości ruchów Słońca i same stanowiły swoiste kompasy. Jednak wiele wskazuje
na to, że już w połowie trzeciego tysiąclecia p.n.e. ważne znaczenie przypisywano wybranym gwiazdom. W kilku pochodzących z tych czasów piramidach w Gizie znajdują
się, uważane początkowo za szyby wentylacyjne, wznoszące się skośnie ku górze tunele, najwyraźniej wskazujące rejon bliski północnemu biegunowi niebieskiemu.

W rezultacie dokładniejszej analizy okazało się, że wycelowano je w punkt dołowania gwiazdy Thuban (α Smoka), pełniącej w tamtych czasach rolę polarnej. Dzięki tej szczególnej roli i stałej widoczności, Thubana uznawano za symbol nieśmiertelności, co tłumaczy owe tunele, jako mające zapewnić stałą pieczę tej gwiazdy nad „lokatorem” grobowca. O tym, że starożytnych Egipcjan interesowały również inne gwiazdy, którym nierzadko przypisywali różne nadprzyrodzone moce, świadczyć może przykład największej z piramid w Gizie – słynnej piramidy Cheopsa. Do komnaty grobowca prowadzą aż dwa szyby, drugi ku pasowi Oriona, co pochowanemu tam faraonowi miało zapewnić nie tylko nieśmiertelność, lecz także pomyślną podróż do krainy zmarłych.

Znajomość ruchów Słońca, Księżyca i gwiazd pozwoliła na konstrukcje pierwszych kalendarzy, stanowiących pierwowzór dziś używanego. Prawdopodobnie już w 29.
stuleciu p.n.e. funkcjonował, zbliżony do nam współczesnego, kalendarz z 365-dniowym rokiem, o dwunastu 30-dniowych miesiącach, z których każdy dzielił się na trzy dekady, niezwiązane
(jak później wprowadzone tygodnie) z fazami Księżyca. Duża niezgodność długości roku kalendarzowego ze zwrotnikowym (około 1/4 doby na rok), już w tamtych
czasach wymagała stosowania lat przestępnych, o rozbieżności z łącznym czasem trwania 12 miesięcy nie wspominając. Na tym nie koniec staroegipskich wynalazków opartych na obserwacjach astronomicznych.

Potrzeba dokładniejszego pomiaru upływającego czasu doprowadziła do podziału nocy na 12 równych godzin, odmierzanych przez obserwowany ruch 36 gwiazd, innej w każdej dekadzie, a prawdopodobnie dopiero w drugiej kolejności, również podziału dnia na 12 godzin. Tym razem do pomiaru czasu konieczne były pierwsze, odmienne od dziś znanych, konstrukcje zegarów słonecznych. I choć ani te nocne, ani dzienne godziny, tak naprawdę nie były równe na przestrzeni roku, to stały się podstawą przyszłego podziału doby na 24 godziny o jednakowej
długości. Takie były prapoczątki astronomii w cywilizacji basenu Morza Śródziemnego. W omawianym okresie Egipcjanie, ograniczając się wyłącznie do obserwacji ruchów nie
tylko Słońca i Księżyca wraz z interpretacją ich skutków, lecz także gwiazd i planet na niebie, zdawali się nie wykazywać głębszego zainteresowania „konstrukcją” choćby tego najbliższego kosmosu.

 

Pewien przełom nastąpił dopiero w drugiej połowie IV wieku p.n.e., za sprawą niezwyciężonego Aleksandra Macedońskiego (Wielkiego).
To za jego sprawą rozpadło się Imperium Perskie (którego częścią był ówczesny Egipt) i rozpoczął się okres hellenistyczny w kulturze śródziemnomorskiej. Poglądy na Wszechświat zajmowały wówczas częściej umysły filozofów niż astronomów w dzisiejszym tego słowa znaczeniu. Wyróżnić jednak tu trzeba w zasadzie dwie dziedziny: kosmologię, czyli naukę o budowie i ewolucji Wszechświata jako całości oraz kosmogonię, której przedmiotem jest głównie jego powstanie, rozważane na poziomie mitologicznym, religijnym lub filozoficznym. W celu ogólnego zarysowania historii astronomii w zakresie orientacji w kosmicznych rozmiarach i odległościach, nas zdecydowanie bardziej interesuje ten pierwszy z wymienionych działów, w którym wiodącą rolę odgrywają nauki ścisłe – głównie matematyka, zwłaszcza geometria oraz szeroko rozumiana fizyka.
Starożytna Grecja, w okresie od IV do II wieku p.n.e. wiodła niewątpliwy prym w tej dziedzinie. Dość wymienić tylko kilku najważniejszych helleńskich uczonych o dużym wkładzie w rozwój astronomii, z krótką informacją, co zawdzięczamy każdemu z tych kolejnych „kosmicznych detektywów”, próbujących rozwikłać kolejne zagadki Wszechświata. Za jednego z twórców podstaw
astronomii uważa się najwszechstronniejszego myśliciela i uczonego starożytności, żyjącego w IV wieku p.n.e. Arystotelesa. Podzielając geometryczne podejście, żyjących 200 lat wcześniej: Pitagorasa i Talesa, propagował on jeden z pierwszych modeli budowy Wszechświata, w postaci bliżej niesprecyzowanego „ognia centralnego”, wokół którego krążyć miały ciała niebieskie, w tym Ziemia, uznawana za jedną z planet.

Za twórcę pierwszego heliocentrycznego modelu świata należy jednak uznać Arystarcha z Samos. Niestety, jego system, ze Słońcem w centrum, obiegającą je i obracającą się Ziemią wraz z innymi planetami oraz nieruchomą sferą gwiazd, zyskał nielicznych zwolenników. W oparciu o jednakowe średnice kątowe Słońca i Księżyca na niebie, poczynił on również pierwsze próby określenia ich
względnych odległości od Ziemi, jako równych stosunkowi ich rzeczywistych rozmiarów. Pół wieku młodszy od Arystarcha, Eratostenes z Cyreny, zakładając równoległość promieni słonecznych, dokonał pionierskich pomiarów kąta ich padania w południe w odległych od siebie około 800 km Asuanie i Aleksandrii, z niezłą dokładnością wyznaczając długość ziemskiego południka
(około 40 tysięcy km), tym samym po raz pierwszy określając rozmiary Ziemi.
Szczególnie bogata jest spuścizna kolejnego greckiego uczonego, słusznie uznawanego za współtwórcę naukowych podstaw astronomii.

Żyjący w II wieku p.n.e. Hipparch, jako pierwszy wyznaczył odległości do Księżyca i Słońca, a także dokładną wartość okresu obiegu Ziemi i mimośród ziemskiej orbity; odkrył również zjawisko precesji ziemskiej osi. Ważnym jego dokonaniem było sporządzenie pierwszego katalogu 1080 gwiazd, zawierającego ich położenia na sferze wyrażone za pomocą
współrzędnych oraz jasności, po raz pierwszy używając w tym celu pojęcia wielkości gwiazdowej (magnitudo).
Hipparchowi przypisuje się też wynalazek astrolabium, pierwszego przyrządu do kątowych pomiarów położeń gwiazd, przez wieki stosowanego później również w nawigacji. Nieprzypadkowo jego imieniem nazwano satelitę Hipparchos Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESO), który rozpoczął pracę na orbicie przed dokładnie 15 laty, by ciągu 14 lat zebrać precyzyjne dane blisko 120 tysięcy gwiazd. W ten sposób ponad 2 100 lat po pierwszym katalogu Hipparcha powstał najnowszy, Hipparchos Catalogue.
Oryginalne dzieła Hipparcha zaginęły, jednak poznaliśmy je dzięki żyjącemu 400 lat po nim, pierwszemu z największych astronomów czasów nowożytnych, Klaudiuszowi Ptolemeuszowi, którego w pewnym sensie możemy uważać za kontynuatora dzieła Hipparcha, a także kilku innych, wcześniejszych greckich astronomów, na których pracach częściowo oparł swoją teorię. Ptolemeusz
dysponował bogatszym zestawem przyrządów pomiarowych, w skład którego wchodził statyczny kwadrant, trikwetrum w postaci dwóch ruchomych ramion opartych na pionowym słupie oraz znacznie bardziej rozbudowane, sferyczne astrolabium (sfera armilarna). Ich dokładne opisy zamieszczone we wczesnym dziele Ptolemeusza, Almagest, kilkanaście stuleci później posłużyły za wzory instrumentarium Mikołaja Kopernika, Tychona Brahego czy Jana Heweliusza. Ale, przede wszystkim, w Amalgeście Ptolemeusz zawarł pełny wykład swojej matematycznej teorii ruchu planet, w tym precyzyjny opis geocentrycznego modelu świata, ze złożonym układem epicykli i deferentów, mających wyjaśnić obserwowane
skomplikowane ruchy planet względem gwiazd. Taki obraz znanego wówczas fragmentu Wszechświata przetrwał czternaście stuleci, obalony dopiero przez kopernikański
model heliocentryczny.
Niezwykle istotny wpływ na rozwój astronomii i innych nauk miała, działająca od III wieku p.n.e., najznakomitsza biblioteka świata antycznego, w egipskiej Aleksandrii, największym mieście basenu Morza Śródziemnego, powołanym do życia również przez Aleksandra Wielkiego. Zgromadzono w niej być może ponad 700 tysięcy zwojów, z niemal wszystkimi dziełami ówczesnego piśmiennictwa greckiego, etiopskiego, hebrajskiego, perskiego i hinduskiego. Stanowiąc „zadrę w oku” dla różnych religii, kilkakrotnie podpalana, Biblioteka Aleksandryjska została całkowicie zniszczona w 642 roku n.e., co pociągnęło za sobą setki lat zastoju w nauce europejskiej. Na szczęście wiele skopiowanych dzieł przetrwało, zwłaszcza w krajach Bliskiego Wschodu, skąd
okrężną drogą – przetłumaczone z arabskiego na łacinę lub grekę – po wiekach powróciły do europejskich astronomów. Choć dość pobieżny, dokonany tu przegląd 600 lat
rozwoju astronomii pokazał, że niewiele w tym czasie, a nawet długo później, poznano z prawdziwej struktury, nie tylko dalszego, ale nawet tego bliższego nam zakątka
Wszechświata. Aby zorientować się jak daleko są gwiazdy, czekać trzeba było aż do XIX wieku!
Pomiaru odległości gwiazd można dokonać wykorzystując – skądinąd proste – zjawisko paralaksy, czyli fakt, że ten sam obiekt oglądany pod różnym kątem zdaje się
znajdować w innym miejscu w stosunku do tła. W astronomii zastosowanie mają pomiary trzech rodzajów paralaksy: geocentryczna równikowa (dobowa) wynikająca
z ruchu obrotowego Ziemi, zauważalna na równiku ziemskim po 1/2 obrotu Ziemi, geocentryczna południkowa – przy obserwacji z miejsc o różnej szerokości geograficznej
oraz najwyraźniejsza – paralaksa heliocentryczna (roczna), przy porównaniu obrazów z dwóch skrajnych punktów orbity ziemskiej, a więc w odstępie 1/2 roku. Zjawisko paralaksy nie było obce starożytnym, jednak ich możliwości pomiarów kątowych były zdecydowanie zbyt małe (jak przekonamy się dalej), by którykolwiek z jej rodzajów dostrzec. Poza religijnymi, to było głównym
naukowym argumentem przeciwko „ruszaniu Ziemi”, dlatego upadła wczesna idea heliocentryczna Arystarcha, a z wielkim sceptycyzmem spotkała się teoria Kopernika. Nie udało się zjawiskiem paralaksy potwierdzić ruchu obrotowego, a zwłaszcza obiegowego Ziemi Tychonowi Brahe, który z tego powodu za naukowy cel obrał sobie obserwacyjne udowodnienie, że Kopernik mylił się.
Paradoksalnie, jego uczeń, Edmund Halley, analizując pozostawione przez, zmarłego w nieznanych okolicznościach, Brahego rezultaty wieloletnich obserwacji Marsa, doszedł do przeciwnych niż jego mistrz wniosków – te badania bez wątpienia potwierdzały słuszność systemu kopernikańskiego!
Po raz pierwszy udało się zmierzyć paralaksy trzech jasnych gwiazd 180 lat temu, niezależnie od siebie, trzem astronomom. Niemiec Friedrich Bessel „na warsztat” wziął gwiazdę 61 Cygni, Brytyjczyk Thomas Henderson zbadał α Centauri, zaś Wilhelm Struve, rosyjski astronom niemieckiego pochodzenia, skierował swój teleskop na Wegę (α Lutni). Okazało się, że jedna z trzech najbliższych Ziemi gwiazd – podwójna α Centauri wykazuje paralaksę roczną 0,74”, również podwójna 61 Cygni: 0,29”, a najdalsza z nich, Wega – zaledwie 0,13” – nic więc dziwnego,
że tak małych kątów nie byli w stanie zmierzyć nie tylko starożytni, lecz także XVI-wieczny Tycho Brahe.
Z paralaksą heliocentryczną związana jest „profesjonalna” jednostka kosmicznych odległości – parsek (pc).Według oficjalnej definicji, jest to odległość obiektu, którego paralaksa heliocentryczna wynosi 1” (jedna sekunda łuku). A że tak blisko Ziemi brak jakiejkolwiek gwiazdy, bardziej uzasadniona wydaje się być alternatywna definicja: to odległość, z jakiej oglądana orbita Ziemi miałaby
kątową średnicę 1”. To bardzo praktyczna definicja, bo przeliczenie wartości wyrażonej w sekundach łuku paralaksy rocznej na odległość w parsekach wymaga jedynie obliczenia odwrotności tej wartości. I tak, dla wymienionych gwiazd, których dotyczyły pionierskie pomiary paralaksy, otrzymujemy odległości: α Centauri: 1,35 pc; 61 Cygni: 3,5 pc, zaś Wega: 7,8 pc. Ale jeśli wolimy bardziej poglądową jednostkę – rok świetlny (ly), wystarczy kolejny przelicznik: 1 pc = 3,26 ly. A więc rozpatrywane gwiazdy są odległe od nas, odpowiednio: 4,4 ly, 11,4 ly oraz 25,4 ly i wszystkie należą do naszego najbliższego gwiezdnego otoczenia.
Dla gwiazdy odległej od nas o 1000 lat świetlnych, czyli 306,7 parseków, paralaksa heliocentryczna wyniesie już tylko 3/1000 sekundy łuku! A przecież w obrębie samej naszej Galaktyki są nawet gwiazdy dziesiątki razy dalsze…

Widać więc, że dla pomierzenia Wszechświata, kosmicznym geometrom niezbędne będą inne metody.

Jan Desselberger

Miesięcznik Astronomia Nr 29, listopad 2014

 

 

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *