Astronomija 20. stoletja

Največja težava pri tovrstnem ocenjevanju je, kje napraviti rez med pomembnimi in manj pomembnimi dosežki. Prav gotovo je namreč nekaj odkritij kot so odkritje prasevanja iz časa po velikem poku ali Einsteinovo osnovanje splošne teorije relativnosti, ki nedvomno sodijo v prvo ligo. A kje se ta prva liga konča? Morda se je še najbolje pri spisku pomembnih odkritij in dosežkov na področju astronomije v 20. stoletju nasloniti na podeljene Nobelove nagrade za fiziko, ki so bile podeljene za delo na področju astronomije ali astrofizike. A vseeno moramo k spisku le teh dodati še nekaj dosežkov, ki z Nobelovimi nagradami niso bili nagrajeni.

Splošna teorija relativnosti

Z objavo svoje teorije v letu 1915, je Einstein ponudil nov pogled na razumevanje gravitacije. To je najšibkejša sila v naravi, vendar (morda pa prav zato) še ni docela razumljena. Za razliko od ostalih treh sil (močna, elektromagnetna in šibka) za gravitacijo še nimamo zadovoljive kvantne slike. Kljub temu, da je v mikro svetu zanemarljiva, na astronomskih skalah postane edini dejavnik dinamike vesolja. Na tej skali gravitacijo izredno dobro opiše Einsteinova Splošna teorija relativnosti, saj ji do sedaj ne nasprotuje nobeno astronomsko opazovanje.

Splošna teorija relativnosti gravitacijo pojasnjuje z geometrijskimi lastnostmi prostora ter zajema dosti večje področje kot njena predhodnica, Newtonova teorija gravitacije, ki je tudi mejni primer splošne teorije relativnosti. Med pomembnejšimi napovedmi omenimo le to, da pravilno napove gravitacijski uklon svetlobe in velja tudi v relativističnih razmerah, kjer so hitrosti blizu svetlobni.

Gravitacijsko lečenje je krivo za podvajanje slik zvezd in koncentrične kroge na sliki.

Najzanimivejša napoved splošne teorije relativnosti je verjetno obstoj črnih lukenj. Te so do sedaj dale že obilico dela tako znanstvenikom kot pisateljem znanstvene fantastike, vse več pa je tudi znanstvenih dokazov za njihov obstoj.

Tako bi črna luknja ukrivila prostor-čas, če bi bil le ta dvodimenzionalen.

Omenimo še, da je Einstein skušal s svojo teorijo postaviti tudi model vesolja, a mu ni šlo preveč dobro od rok, saj vesolje v modelu ni in ni hotelo biti statično. Ker je bilo tedaj ustaljeno prepričanje, da je vesolje statično, je nazadnje svojim enačbam dodal člen s tako imenovano kozmološko konstanto. Tako je dobil med rešitvami tudi statično vesolje. Po odkritju, da vesolje ni statično, ampak se širi, naj bi Einstein kozmološko konstanto poimenoval … največja zabloda mojega življenja …. A kot se zdi, vpeljava kozmološke konstante sploh ni bila zgrešena, saj novejše kozmološke meritve na supernovah tipa IIA kažejo, da je le ta različna od nič (kozmološka konstanta je namreč lahko različna od nič, pa se vesolje vseeno širi).

Morda je zanimivo tudi, da Einstein za svojo splošno teorijo relativnosti ni prejel Nobelove nagrade, pač pa jo je l. 1921 prejel za odkritje fotoelektričnega efekta. Splošna teorija relativnost je bila v tistem času pač še premalo uveljavljena oz. preverjena teorija.

Vesolje se širi

Edwin Hubble je leta 1929 pri preučevanju spektrov svetlobe iz oddaljenih galaksij odkril, da imajo karakteristične črte elementov nekoliko daljšo valovno dolžino, kot svetloba nam bližnjih zvezd. Karakteristične črte elementov ustrezajo elektronskim prehodom med vzbujenimi stanji atomov. Za vsak element so te črte drugačne in so na nek način prstni odtis posameznega elementa. To podaljšanje valovne dolžine poimenujemo rdeči premik.

Rdeči premik lahko pojasnimo z Dopplerjevim pojavom. Iz vsakdanjega življenja vemo, da je zvok avtomobilske hupe višji, kadar se avtomobil približuje in nižji, kadar se oddaljuje. Enak pojav opazimo tudi pri svetlobi: če se izvor svetlobe približuje, bo valovna dolžina svetlobe krajša (višja frekvenca), kot če se oddaljuje (nižja frekvenca). Iz tega sklepamo, da se oddaljene galaksije oddaljujejo od nas. Še več, hitrost oddaljevanja narašča z razdaljo od Zemlje.

To odkritje je dokončno zavrglo model statičnega in nespremenljivega vesolja, v katerega sta verjela tudi Newton in Einstein.

Ozadje mikrovalovnega sevanja in veliki pok

Leta 1965 sta Arno Penzias in Robert Wilson odkrila, da iz celotnega vesolja na Zemljo prihaja elektromagnetno sevanje na mikrovalovnem področju. Nadaljne meritve so pokazale, da spekter tega sevanja ustreza spekru sevanja črnega telesa s temperaturo 2.73 K. Ne dolgo zatem so pojasnili, da je to mikrovalovno sevanje ostanek velikega poka, s katerim se je začelo naše vesolje. Odkritje prasevanja je tako pripeljalo do tako imenovanega Standardnega modela razvoja vesolja (glej zapis o tem: Zelo kratka zgodovina časa)

Slika fluktuacij v mikrovalovnem sevanju ozadja kot ga je posnel satelit COBE. Na sliki so odstranjeni vpliv gibanja Zemlje glede na sevanje in sevanje iz naše galaksije.

Omenimo še, da preučevanje prasevanja še zdaleč ni končano in da so kasnejše natančne meritve odkrile rahla odstopanja od enakomerne porazdelitve tega sevanja. S pomočjo zelo podrobnega pogleda v strukturo odstopanj od izotropnosti prasevanja lahko (vsaj teoretično) razločimo med različnimi kozmološkimi modeli. Ravno prihodnja opazovanja mikrovalovnega ozadja tako obetajo največji eksperimentalni napredek v kozmologiji.

Arno Penzias in Robert Wilson sta za odkritje mikrovalovnega sevanja ozadja leta 1978 prejela polovico Nobelove nagrade.

Pojasnjeno delovanje Sonca ter cikel razvoja zvezd

Ena velikih ugank fizike 19. st. je bila, s kakšnim procesom pridobi Sonce tako velikanske količine energije, ki jih seva v okolišnji prostor v obliki svetlobe. V dvajsetih letih 20.st. je bilo dokaj razširjeno prepričanje med astronomi, da zvezde pridobijo energijo na račun gravitacijskega potenciala. Zvezda bi nastala s kondenzacijo medzvezdnega prahu, nato bi se ji radij zmanjševal. Na račun tako pridobljene gravitacijske energije bi sevala vse dokler ne bi ugasnila. A na ta način bi sevala le kratek čas, morda le nekaj tisoč let.

V resnici seva zvezda zaradi jedrskih reakcij, ki tečejo v njeni notranjosti. Hans Bethe je bil prvi, ki je opisal vodikov in ogljikov cikel, preko katerih se sprošča energija v zvezdah ob zlivanju protonov v helijeva jedra. Masa nastalih helijevih jeder je namreč manjša kot je vsota mas delcev, ki vstopajo v cikel (efektivno so to štirje protoni in dva elektrona). Zato se ob vsakem ciklu, ko nastane eno jedro helija sprosti energija (spomnimo se formule E=mc²). Za odkritje vodikovega in odgljikovega cikla je prejel l. 1967 Hans Bethe Nobelovo nagrado.

Slika spektakularnega izbruha na sončevem površju.

Prvi, ki je teoretično opisal evolucijo zvezd od zvezde podobne našemu Soncu, preko rdeče orjakinje do bele pritlikavke, je bil Subramanyan Chandrasekhar. Ta cikel naj bi trajal okoli deset milijard let. Zvezde z maso, ki je veliko večja od mase Sonca, se razvijajo hitreje. Poleg tega se ne skrčijo le v bele pritlikavke. Ob koncu cikla, ko zmanjka goriva za jedrske reakcije, se sredica namreč močno skrči, nakar močan izbruh odnese zunanje plasti zvezde. To je izbruh supernove. Po izbruhu preostane izredno kompaktna nevtronska zvezda, kjer se je večina protonov pretvorila v nevtrone. Podrobnosti o nastanku težkih elementov (le ti sestavljajo npr. Zemljo) v teku evolucije zvezde je tako teoretično kot z eksperimenti na pospeševalnikih pojasnil William Fowler. Chandrasekhar in Fowler sta l.1983 prejela vsak polovico Nobelove nagrade.

Radijska astronomija in odkritje pulzarjev

Vidna svetloba in mikrovalovno sevanje ozadja nista edini del spektra elektromegnetnega sevanja, ki dospe do nas iz vesolja. Opazovanje v radijskem delu spektra, pri večjih valovnih dolžinah torej, razkrije objekte, ki jih ne opazimo z optičnimi astronomskimi opazovanji. Sir Martin Ryle je razvil metodo, kjer signal z večih ločenih teleskopov združijo, ter tako povečajo ločljivost opazovanja z radijskimi teleskopi. Ta tehnika je leta 1964 pripeljala do nepričakovanega odkritja. l. 1964 so Antony Hewish in njegovi sodelavci opazili signal v radijskem področju, ki ga je neznano nebesno telo sevalo v izredno točno določenih ponavljajočih se sunkih. Prvemu odkritju je nato sledilo še več nadaljnjih odkritij pulzarjev. Naravo le teh so nato tudi kaj kmalu pojasnili. Pulzarji so rotirajoče nevtronske zvezde, ki delujejo kot zelo hitro vrteč se svetilnik. Signal zaznamo ob vsakem obratu, ko nas oplazi izsevano radijsko valovanje. Ryle in Hewish sta prejela vsak polovico Nobelove nagrade l. 1974.

Arecibo radijski teleskop je s 300m premera največji samostojni radijski teleskop na svetu.

Tedaj je bilo iskanje pulzarjev že povsem rutinsko opravilo med radijskimi astronomi, a je ravno poleti 1974 prišlo do novega presenečenja. Russell Hulse in Joseph Taylor sta namreč v periodičnem signalu na novo odkritega pulzarja PSR 1913+16 odkrila modulacije, periodično spreminjanje signala z neko drugo frekvenco poleg pulzarju lastne frekvence. Odkrila sta prvi dvojni pulzar. Dvojni zato, ker je nevtronska zvezda, ki seva radijske pulze, le en del tesnega dvojnega zvezdnega sistema, katerega drugi del predstavlja zvezda približno enake velikosti. Ta sistem je prek več kot 20 let dolgih opazovanj posredoval prvi konkretni dokaz za obstoj gravitacijskih valov (kot jih npr. napoveduje tudi splošna teorija relativnosti). Pojemanje krožne frekvence je v tesnem ujemanju s splošno teorijo relativnosti. Hussel in Taylor sta za odkritje dvojnega pulzarja prejela Nobelovo nagrado iz fizike za leto 1993. A na mestu je pripomniti, da na neposreden dokaz obstoja gravitacijskih valov še čakamo.

 Predstavitev sistema dvojnega pulzarja.

Osvajanje vesolja

Povezano je z napredkom znanosti in tehnologije na splošno. Vendar po našem mnenju pri naštevanju najpomembnejših dogodkov 20. stoletja na področju astronomije nikakor ne smemo izpustiti poleta človeka na Luno in pošiljanja raziskovalnih plovil na druge planete našega osončja. Poleg tega, da je to velik tehnološki in znanstveni dosežek, je to tudi prva priložnost v zgodovini človeštva, da določena astronomska opazovanja opravimo na kraju samem in ne le od daleč, skozi takšen ali drugačen teleskop.

Pogled na površje Marsa v smeri Twin Peaks, kot ga je posnela izredno odmevna misija Mars Pathfinder v letu 1997.

In kaj čaka astronomijo v 21. stoletju? Kdo bi si upal ugibati. Prof. Čadež, eden pomembnejših slovenskih astrofizikov je npr. v enem svojih predavanj omenil, da se bo zanimanje astronomov verjetno preusmerilo predvsem na zelo dimamične sisteme. Razvoj zvezd je pojasnjen, nepojasnjeni pa so tako dramatični pojavi kot so izbruhi gama žarkov (kjer se zdi, da se v času nekaj deset sekund sprosti energija, ki ustreza objektu z maso sonca), pa curki snovi dolgi več sto svetlobnih let (jets), akrecijski diski, ter… kdo bi vedel, kakšne skrivnosti nam še prikriva vesolje.

kvarkadabra.net – številka 6 (oktober 2000) 

-