Potęga i piękno - Bryan Gaensler

Potęga i piękno

0,0

W swojej książce cieszący się międzynarodową sławą australijski astronom Brian Gaensler opisuje, jak dalece Wszechświat wykracza pod każdym względem poza wszystko, co jesteśmy sobie w stanie wyobrazić. Tematem „Potęgi i piękna” są niewyobrażalne temperatury, masy, wielkości i siły, które potrafimy zmierzyć i opisać, jednak trudno uznać, że jesteśmy w stanie je pojąć. Umiejętność dokonywania pomiarów i zrozumienia, czym są wypełniające Wszechświat obiekty, jest zachwycająca, ale to, co tam napotykamy, jest tak odległe od skali zjawisk, do jakich jesteśmy przyzwyczajeni, jak to tylko możliwe.

Stając wobec Wszechświata z pokorą godną wielkiego badacza, autor przekonuje, że nawet jeśli liczby opisujące kosmos są zupełnie niepojmowalne dla naszych ludzkich umysłów, piękno, różnorodność i elegancja, które kryją się za tymi wielkościami, zasługują na nasz najwyższy podziw, zdumienie i szacunek.

Ekstremalne zjawiska we Wszechświecie cieszą się wyjątkowym zainteresowaniem, ponieważ pokazują eksperymenty wykonywane przez samą naturę, których w żaden sposób nie można powtórzyć w laboratoriach. Ich obserwacja pozwala nam na testowanie praw fizyki w najbardziej niezwykłych warunkach, a niekiedy – na dokonywanie odkryć. Książka Bryana Gaenslera to bardzo ciekawy i przystępny przewodnik, dotyczący właśnie tego tematu.

Martin J. Rees, astronom, profesor Cambridge University, członek Royal Society,

Badanie Wszechświata to bardzo często studiowanie egzotycznych i ekstremalnych zjawisk. Bryan Gaensler zaprasza czytelników do fascynującego świata ekstremów, umiejętnie przybliżając im niezwykłe zjawiska, dzięki odwołaniom do codziennych doświadczeń.

Lawrence M. Krauss, profesor Arizona State University i Australia Rational University

Bryan Gaensler – wybitny australijski astronom, autor wielu przełomowych prac, dotyczących m.in. magnetarów, pozostałości po supernowych oraz pól magnetycznych. Laureat wielu nagród naukowych. Obecnie pracuje na Uniwersytecie w Sydney.

Dodaj komentarz


Brak komentarzy

  Pobierz fragment (ePub)   lub czytaj

okladka.jpg

TYTULOWKA.jpg

Tytuł oryginału

EXTREME COSMOS

Copyright © Bryan Gaensler 2011

First published 2011

All rights reserved

Zdjęcie na okładce

Nasa

Projekt okładki

Prószyński Media

Redaktor serii

Adrian Markowski

Redakcja

Anna Kaniewska

Korekta

Anna Kapuścińska

ISBN 978-83-7839-870-7

Warszawa 2013

Wydawca

Prószyński Media Sp. z o.o.

02-697 Warszawa, ul. Rzymowskiego 28

www.proszynski.pl

Dla Fineasa za zadawanie pytań,

na które nie potrafiłem odpowiedzieć

Przedmowa

Kiedy pierwszy raz przyszedł mi do głowy pomysł, który ostatecznie przybrał kształt tej książki, sądziłem, że napisanie jej będzie łatwe. Większość pomysłów i historii miałem już w głowie i chodziło tylko o przelanie ich na papier. Jednak rzeczywistość była o wiele bardziej skomplikowana: odpowiedzi zazwyczaj okazywały się znacznie trudniejsze, niż sądziłem na początku, a niekiedy uświadamiałem sobie, że tak naprawdę w ogóle nie rozumiem zagadnienia. Ukończenie ostatecznej wersji wymagało dwóch lat solidnych wysiłków i było możliwe tylko dzięki pomocy wielu ludzi i sięgnięciu do licznych źródeł.

Po pierwsze i przede wszystkim dziękuję światowej społeczności astronomów, których pasja i entuzjazm, z jakimi podchodzą do swojej dziedziny badań, doprowadziły do wszystkich opisanych tutaj odkryć. Muszę również wskazać niesamowite źródło danych, jakim jest NASA Astrophysics Data System. Ta wspaniała baza danych zawiera indeks obejmujący właściwie każdy artykuł naukowy, jaki kiedykolwiek opublikowano na temat astronomii, i okazała się nieoceniona w wyszukiwaniu wielu wyników i obliczeń, których potrzebowałem. Następnie dziękuję astronomom, którzy wspaniałomyślnie przekazali mi dodatkowe dane i informacje, a byli to: Matthew Bailes, Tim Bedding, Chris Blake, Warren Brown, Iver Cairns, Paul Crowther, Glennys Farrar, Lilia Ferrario, Craig Heinke, Rob Hollow, Michael Ireland, Melanie Johnston-Hollitt, Geraint Lewis, Charley Lineweaver, Erik Mamajek, Don Melrose, Michael Scholz, Peter Tuthill, Gentaro Watanabe, Mike Wheatland i Matias Zaldarriaga. Dziękuję również wielu astronomom i instytucjom, którzy pozwolili mi zamieścić w książce wykonane przez nich wspaniałe zdjęcia.

Jestem wdzięczny Phillipie McGuinness, Jane McCredie i ich zespołowi z NewSouth Publishing za rolę, jaką odegrały w powstaniu tej książki, oraz za cierpliwość przez ten długi czas, gdy pracowałem nad maszynopisem. Specjalne podziękowania kieruję do Stephena Pincocka, który mnie wyszukał, zasiał w mojej głowie pomysł na książkę Potęga i piękno oraz w staranny i przemyślany sposób skomentował każdy rozdział. Dziękuję także Chrisowi Halesowi, który entuzjastycznie podjął się zadania wyszukania i zapewnienia zdjęć i rysunków – dzięki nim moje historie nabrały życia – i który wnikliwie skomentował tekst.

Wreszcie najgłębsze i najszczersze podziękowania kieruję do wspaniałej Laury Beth Bugg, która jak zawsze była moją muzą i natchnieniem. Wzięła na siebie rolę samotnej matki na ten długi czas, gdy wsiąkłem w pisanie tej książki, zachęcała mnie do tego, bym kontynuował, gdy byłem gotów się poddać, i ślęczała nad każdym słowem, jakie napisałem. Pomogła mi zrobić z tej książki coś, z czego mogę być dumny – nie potrafiłbym dokonać tego bez niej.

Bryan Gaensler

Wprowadzenie

W dzieciństwie uwielbiałem czytać o nauce. Opisy dziwnych dinozaurów, które dawno wymarły, wyjaśnienia niszczycielskiej potęgi wulkanów i ilustracje przedstawiające najróżniejsze organy ludzkiego ciała – wszystko to pochłaniałem.

Jednak astronomia – już wtedy – zajmowała w moim sercu szczególne miejsce. Astronomia była inna. Książki o innych dziedzinach nauki mówiły mi wszystko o tym, jak działają rzeczy, o których opowiadają, i wyliczały wszystkie sprawy, które naukowcy byli w stanie zrozumieć. Wydawało się, że na większość wielkich pytań udzielono już odpowiedzi, a teraz już tylko porządkujemy szczegóły. Książki o astronomii, przeciwnie, koncentrowały się nie na tym, co wiemy, lecz na tym, czego nie wiemy.

A tego, czego nie wiemy, było całkiem sporo. Astronomia przyciągnęła moją uwagę, ponieważ było w niej o wiele więcej tajemnic niż odpowiedzi. Czym jest ciemna materia? Co jest w środku czarnej dziury? Czy na Marsie jest życie? W nauce miało chodzić przede wszystkim o dokonywanie odkryć, a mojemu młodemu umysłowi wydawało się, że większość odkryć czekających wciąż na dokonanie należała do astronomii.

Dlatego już bardzo wcześnie, być może gdy miałem zaledwie pięć lat, zdecydowałem, że chcę być astronomem. Zaczęło się to od Albumu astronomii, fantastycznej książki, którą dostałem od rodziców. Książka (którą nadal mam) zabierała czytelnika w oszałamiającą podróż po Układzie Słonecznym, Drodze Mlecznej i jeszcze dalej. Od intensywnego gorąca Merkurego i Wenus oraz płomienistych reakcji syntezy jądrowej, które napędzają Słońce, po ogromny majestat lśniących z oddali galaktyk spiralnych oraz niewyobrażalny początek wszystkiego w Wielkim Wybuchu – wszystko to było tak niewiarygodnie obce i odległe od całego mojego dotychczasowego doświadczenia życiowego. Wpadłem po uszy.

Z upływem czasu moja fascynacja niebem tylko rosła. W trzeciej klasie napisałem podręcznik do astronomii dla mojej biblioteki szkolnej. Gdy miałem dwanaście lat, wydałem całe kieszonkowe na kupno teleskopu i nie spałem przez całą noc, obserwując kometę Halleya. I błagałem moich nauczycieli w liceum, żeby mniej czasu poświęcali na chemię albo geologię, a więcej na astronomię.

Kilkadziesiąt lat później wciąż zachwyca mnie fakt, że to właśnie astronomię udało mi się uprawiać zawodowo. Zachwyt budzi przede wszystkim konstatacja, że to, co pociągało mnie w tej dziedzinie, gdy byłem dzieckiem, okazało się prawdą. Astronomia to wciąż niezbadana kraina i przez cały czas dokonuje się zadziwiających odkryć.

Jednak pod dwoma względami astronomia nie okazała się tym, czym spodziewałem się, że będzie – tych dwóch względów nie doceniałem tak naprawdę w dzieciństwie i dostrzegłem je dopiero wtedy, gdy zacząłem swoją karierę zawodową. Właśnie dlatego, że sobie je uświadomiłem, napisałem tę książkę.

Odkrywanie gwiazd czy ich rozumienie?

Kiedy byłem bardzo młody, miałem wielką nadzieję – i byłem tego niemal pewien – że moim głównym zajęciem jako zawodowego astronoma będzie odkrywanie nowych gwiazd.

I rzeczywiście, udało mi się odkryć kilka. Żywo pamiętam chwilę, gdy w 1994 roku po raz pierwszy coś takiego się zdarzyło. Siedziałem przed ekranem komputera i wpatrywałem się w dane i oto ona – obiekt, na który nie spoglądał żaden inny człowiek w dziejach. Przez kilka chwil siedziałem bez ruchu, przeżywając w samotności swoje odkrycie, ciesząc się faktem, że gdzieś tam jest coś, o czym nikt inny nie wie.

Astronomia i nauka w nieunikniony sposób prowadzi do dzielenia się swoimi pomysłami i odkryciami. Wysłałem e-mail do moich współpracowników, żeby powiadomić ich, co odkryłem, i niebawem opublikowaliśmy nasze wyniki w czasopiśmie naukowym, żeby inni naukowcy je przemyśleli i poprowadzili dalsze badania.

Gwiazda, którą odkryłem, nazywa się teraz PSR J1024–0719 i znajduje się w odległości około 1700 lat świetlnych (16 bilionów kilometrów) od Ziemi w gwiazdozbiorze Strzelca. To o wiele za daleko, żeby zobaczyć ją gołym okiem, ale pojawia się wysoko na niebie w marcowe i kwietniowe noce każdego roku. Choć nigdy nie badałem ani nie oglądałem ponownie PSR J1024–0719 od chwili jej odkrycia, zawsze będzie zajmować ona szczególne miejsce i wyznaczać początek moich kosmicznych przygód.

Mimo że tego rodzaju odkrycia przyprawiają o dreszcz, w astronomii nie chodzi tylko o odkrywanie nowych gwiazd.

Okazuje się, że odkrycie gwiazdy jest zupełnie proste. Weź jakikolwiek większy teleskop, skieruj go w dowolnym kierunku w niebo i zrób zdjęcie odpowiednio małego wycinka nocnego nieba, na który skierowany jest teleskop. Na powstałym w ten sposób zdjęciu będzie pełno gwiazd i niemal wszystkie z nich to takie, których nikt nigdy wcześniej nie widział. Gwiazdy te nie będą miały nazw, nie będą pojawiać się w żadnych katalogach i niemal nic nie będzie o nich wiadomo.

Pojawia się więc pokusa, by jako astronom poświęcić swoją karierę odkryciu i skatalogowaniu tak wielu gwiazd, jak to tylko możliwe. Jednak rzeczywistość jest taka, że wiele z tych nowych gwiazd okaże się raczej obiektami zwyczajnymi i nieinteresującymi, nieróżniącymi się od milionów gwiazd, którym nadano już nazwy, które skatalogowano i sklasyfikowano. Niekiedy gwiazdy okazują się szczególnie interesujące i niezwykłe (o niektórych z nich będę opowiadał w całej tej książce), jednak te szczególne gwiazdy są niezmiernie rzadkie i nie jest oczywiste, że okażą się szczególne lub godne uwagi, dopóki astronomowie nie poddadzą ich dalszym dogłębnym badaniom.

Naturalne i zrozumiałe, że byłem podekscytowany, gdy odkryłem PSR J1024–0719, ale zarazem ważne jest, aby zrozumieć, że celem astronomii nie jest katalogowanie i zbieranie, lecz rozumienie. Motywacją astronomów nie jest jedynie potrzeba liczenia gwiazd albo określanie ich współrzędnych, lecz pragnienie ustalenia, jakie gwiazdy są i dlaczego świecą. W ostatecznym rozrachunku astronomowie poszukują odpowiedzi na niektóre z najważniejszych pytań. Skąd pochodzimy? Jaki będzie koniec wszystkiego?

Nie chodzi mi o zasugerowanie, że odkrywanie gwiazd, mierzenie ich własności i układanie ich w katalogi nie są niezmiernie ważnymi elementami astronomii. Niektóre z największych i najważniejszych projektów realizowanych w astronomii polegają na ogromnych wysiłkach w celu starannego sklasyfikowania obiektów na nocnym niebie i sporządzenia ich map. Sięgają one od przełomowego katalogu Henry’ego Drapera ułożonego w 1924 roku, który liczy 225 300 gwiazd, do odnoszącego spektakularne sukcesy przeglądu Sloan Digital Sky Survey, który rozpoczął się w 2000 roku i jak dotąd obejmuje katalog ponad 300 milionów gwiazd i galaktyk.

Jednak ważną sprawą, z której należy zdać sobie sprawę, jest to, że astronomowie podejmują te ogromne wysiłki, ponieważ później możemy wykorzystać skompletowane katalogi do zrozumienia nowych kwestii dotyczących gwiazd, galaktyk i kosmosu.

Zatem, choć w dzieciństwie marzyłem o odkrywaniu nowych gwiazd, moim celem jest teraz odkrywanie nowych zjawisk dotyczących funkcjonowania Wszechświata. To drugie podejście o wiele lepiej oddaje to, czym zajmują się astronomowie, i wyjaśnia, dlaczego są tak oddani swojej sprawie. Jak małe dziecko, które nieustannie pyta: „Dlaczego?”, po prostu dążymy do zrozumienia otaczającego nas świata.

Miliardy i miliardy

Jako dziecko fascynowałem się odkryciem, że liczby rosną w nieskończoność. Każda książka ma ostatnią stronę. W każdym filmie w końcu pojawiają się napisy. A nawet jeśli czyta się najobszerniejszy słownik, jaki tylko można znaleźć, słowa kiedyś się kończą. Jednak liczby nie mają takich granic. Milion, miliard, bilion, biliard… Nawet gdy skończą się nam nazwy określające wielkie liczby, te dalej rosną.

Mimo mojego zachwytu nad tym spostrzeżeniem byłem jednak przerażony faktem, że nie potrafiłem naprawdę pojąć, co te liczby oznaczają. Co właściwie mogłoby znaczyć „miliard gwiazd” albo „milion galaktyk”? Chciałem zostać astronomem, ponieważ w ten sposób mogłem pomieścić w głowie takie liczby i naprawdę je zrozumieć.

Teraz wiem, że astronomowie nie patrzą na niebo w szczególny sposób. Tak jak każdy nie potrafimy pojąć, jak wielki i skomplikowany jest Wszechświat. Na przykład, gdy pisałem tę książkę, amerykańscy astronomowie ogłosili, że obliczyli na nowo całkowitą liczbę gwiazd w obserwowalnym Wszechświecie. Wcześniejsze szacunki ustalały ich liczbę na 100 000 000 000 000 000 000 000 (100 sekstylionów), ale nowe obliczenia pokazały, że wynosi ona ponad 300 000 000 000 000 000 000 000 (300 sekstylionów). Najwyraźniej liczba gwiazd potroiła się dzięki temu nowemu odkryciu, ale zarówno 100 sekstylionów, jak i 300 sekstylionów to wielkości równie niepojmowalne tak dla zawodowych astronomów, jak dla każdego innego. Nasze umysły wyewoluowały, by polować w celu zdobycia pożywienia i by wchodzić w interakcje z innymi istotami ludzkimi. W związku z tym potrafimy myśleć w skali godzin, miesięcy i lat oraz potrafimy wyobrażać sobie odległości w metrach i kilometrach, ale większe liczby tracą swój sens. Ich skala i wielkość Wszechświata wykraczają znacznie poza to, co nasze umysły są w stanie przetworzyć.

Niemniej jednak nie wszystko jest stracone. Matematyka i fizyka to niesamowite narzędzia, ponieważ pozwalają nam badać i rozumieć Wszechświat nawet wtedy, gdy liczby związane z astronomią wykraczają tak daleko poza nasze doświadczenie, że właściwie nie mają dla nas żadnego sensu. Teraz doceniam to, że choć może przytłaczać nas sama skala, z jaką mamy do czynienia, to wciąż dostrzegamy niezwykłą potęgę, cudowność i piękno kosmosu.

Ekstremalny kosmos

W książce tej chcę pokazać wam po prostu, jak daleko poza nasze codzienne doświadczenie wykracza Wszechświat pod każdym możliwym do wyobrażenia względem. Mam zarazem nadzieję, że Potęga i piękno pomoże wam docenić, jak bardzo godne uwagi jest to, iż mimo wszystko udało nam się dokonać tych pomiarów i je zapisać. Co więcej, w większości przypadków sądzimy, że rozumiemy, czym są te obiekty, jak powstały i dlaczego mają tak niewiarygodne właściwości.

W kolejnych rozdziałach omawiam dziesięć różnych pojęć, z którymi wszyscy codziennie się stykamy: temperaturę, światło, czas, wielkość, prędkość, masę, dźwięk, elektryczność/magnetyzm, grawitację i gęstość. Każde z nich ma pewne ekstrema, których doświadczamy: wszyscy odczuwaliśmy palący upał i przejmujące zimno, wszyscy widzieliśmy odrzutowce mknące nad naszymi głowami i ślimaka pełznącego przez ogród. W każdym rozdziale zaczynam od tych codziennych doświadczeń, ale później przerzucam most między nimi a obiektami w całym Wszechświecie, których własności przekraczają znacznie to, co każdy z nas jest w stanie naprawdę zrozumieć. Niekiedy będę w stanie pokazać wam tylko jeden kraniec skali: na przykład w przypadku ekstremalnych prędkości omówionych w rozdziale 5 przyjrzymy się niektórym z najszybszych ciał we Wszechświecie, ale trudno postawić pytanie o to, które gwiazdy poruszają się najwolniej, i odpowiedzieć na nie, ponieważ ogromna większość gwiazd porusza się wolniej, niż są w stanie zmierzyć nasze teleskopy. W innych rozdziałach będzie miało sens badanie obu ekstremalnych wartości, na przykład w rozdziale 1 pokażę pewne granice gorąca i zimna w kosmosie.

Pisząc tę książkę, stawiałem sobie jako cel przekazanie dwóch rzeczy, których nauczyłem się o astronomii podczas mojej podróży od gapiącego się z ekscytacją w gwiazdy dzieciaka do profesjonalnego astronoma. Chcę wam pokazać, że astronomia to znacznie więcej niż znajdowanie nowych gwiazd. I chcę was przekonać, że nawet jeśli liczby opisujące kosmos są zupełnie niepojmowalne dla naszych zwykłych ludzkich umysłów, wielkie piękno, różnorodność i elegancja, które kryją się za tymi wielkościami, wciąż zasługują na nasze zadziwienie i uznanie.

Zanim zaczniemy naszą podróż, warto pamiętać o jednym. W każdym kolejnym rozdziale koncentruję się na konkretnym rodzaju wielkości i staram się możliwie najbardziej precyzyjnie określić, jak Wszechświat doprowadza te wielkości do ich ekstremów. Jednak precyzja nie jest kategorią, którą łatwo stosuje się podczas badania kosmosu. Potrafię na przykład opisać najniższą znaną nutę we Wszechświecie (odpowiedź znajdziecie w rozdziale 7), nie mogę zaś wam powiedzieć z całą pewnością, że jest to bez wątpienia najniższa nuta, jaką można odnaleźć w całym Wszechświecie, ponieważ tak wielkich obszarów Wszechświata jeszcze nie zbadaliśmy. Mogę natomiast przedstawić wam odkrycia na podstawie wiedzy o obiektach, które astronomowie byli dotychczas w stanie przebadać.

Co więcej, niekiedy wchodzące w grę wielkości są przybliżone i niepewne. Dalej zasugeruję, co może być najcięższą czarną dziurą we Wszechświecie (zob. rozdział 6). Jednak masa czarnych dziur jest z konieczności określona tylko w dużym przybliżeniu, a moje stwierdzenia są ograniczone przez tę niepewność charakteryzującą posiadane przez nas dane.

Wreszcie astronomia jest dynamiczną, rozrastającą się dziedziną badań. Nowych odkryć dokonuje się codziennie, a rekordy w nieunikniony sposób się dezaktualizują. Nawet jeśli w pewnych przypadkach mogę pisać z pewnością i przekonaniem, jak na przykład o najjaśniejszym obiekcie, jaki kiedykolwiek widziano we Wszechświecie (zob. rozdział 2), to bez wątpienia niebawem pojawi się jeszcze bardziej niezwykły obiekt, który go prześcignie.

Astronomia pociągała mnie na początku, ponieważ wciąż było w niej tak dużo do zrozumienia. Lata później wciąż przebiega mnie dreszcz, gdy uświadamiam sobie, że przed nami otwiera się niekończąca się droga odkryć i zachwytów.

1: Ekstrema temperatury

W porównaniu z innymi planetami Ziemia jest dość gościnnym miejscem. W końcu zamieszkują ją różne formy życia, które potrzebują, żeby temperatura nie była ani zbyt niska, ani zbyt wysoka. Jednak każdy, kto odwiedził australijską pustynię latem albo spędził zimową noc w Kanadzie, wie, że nawet nasza „całkiem umiarkowana” planeta jest w stanie wywołać na swojej powierzchni niewiarygodną skalę temperatur, które znacznie przekraczają zakres, jaki my, wrażliwi ludzie, możemy bez problemów znieść. Ekstrema temperatur na Ziemi sięgają od 58°C odnotowanych w 1922 roku w Al-Azizija w Libii aż do przejmujących do szpiku kości −89°C odnotowanych w 1983 roku na stacji Wostok na Antarktydzie. Oczywiście, większa część wnętrza Ziemi jest znacznie gorętsza niż którekolwiek z miejsc na jej powierzchni, podczas gdy niektóre części ziemskiej atmosfery są znacznie zimniejsze.

Nawet najbardziej surowe klimaty, jakie może zaoferować Ziemia, nie są w ogóle porównywalne z tym, co można napotkać w innych miejscach Wszechświata. W najgłębszych zakątkach kosmosu istnieją miejsca biliony razy gorętsze niż najgorętsza sauna i inne miejsca tak zimne, że Toronto w sylwestra wydaje się idealne na plażowy piknik.

Gorące i ukryte

Zastanówmy się najpierw, co naprawdę znaczą słowa „gorący” i „zimny”.

Materia w swoich zwykłych formach (stałej, ciekłej i gazowej) składa się z atomów i cząsteczek. W formie stałej atomy albo cząsteczki są utrzymywane nieruchomo na miejscu jak połączone ze sobą kawałki układanki. W stanie płynnym cząsteczki mogą się poruszać, ale na ogół nadal pozostają pozlepiane w duże grupy. Natomiast w gazie każdy atom albo molekuła porusza się niezależnie i może podążyć, gdzie tylko jej się spodoba.

Ciała stałe, ciecze i gazy łączy ze sobą to, że tworzące je atomy albo cząsteczki nieustannie drgają. W ciele stałym każda cząsteczka nigdy nie oddala się od przeznaczonego jej miejsca, niemniej jednak każdy atom drga w tę i z powrotem. (Wyobraźmy sobie układankę, w której kawałki nie pasują do siebie idealnie, a każdy kawałek ma miejsce, by poruszać się tam i z powrotem, choć zawsze pozostaje na swoim miejscu). W cieczy albo gazie cząsteczki tańczą szaleńczo w przypadkowych kierunkach, jak samochodzik w wesołym miasteczku, który wymknął się spod kontroli.

Tym, co mierzy temperatura w skali mikroskopowej, jest prędkość tych drgań i wibracji. Niezależnie od tego, czy coś jest ciałem stałym, cieczą, czy gazem, może znaleźć się w stanie, w którym te przypadkowe ruchy są powolne i łagodne, albo w takim, w którym są one szaleńczo szybkie. Powolny ruch atomów albo cząsteczek odpowiada przedmiotowi chłodnemu, a szybki ich ruch oznacza, że jest on gorący. Ochłódźmy coś, a poszczególne cząsteczki spowolnią swoje ruchy do spokojnego walca. Ogrzejmy to, a zaczną tańczyć gorączkowego kozaka.

Oznacza to, że tak naprawdę nie ma górnej granicy dla temperatury – jeśli zaczniemy coś podgrzewać, cząsteczki we wnętrzu będą skakać coraz szybciej. Pamiętając o tym, możemy teraz zadać pytanie: Jak gorący może stać się Wszechświat?

Zacznijmy od Słońca, gigantycznej płonącej kuli gazu, tak gorącej i intensywnej, że nawet spoglądanie na nią jest niebezpieczne. Temperatura powierzchni Słońca wynosi około 5500°C, czyli jest gorąca, ale nie niewyobrażalnie gorąca. Powierzchnia Słońca jest mniej więcej pięć razy gorętsza niż płomień świecy albo prawie dwukrotnie gorętsza niż płomień palnika. To wystarczająco dużo, by stopić wolfram, ale niewystarczająco dużo, by doprowadzić go do wrzenia.

Istnieją jednak inne gwiazdy, które są gorętsze niż Słońce.

Wszyscy wiemy, że jeśli podgrzewa się coś, to coś się żarzy. Pogrzebacz w ogniu żarzy się na ciemnopomarańczowo albo czerwono, natomiast zwykła (żarowa) żarówka działa w ten sposób, że rozżarza wolframowy drucik do kilku tysięcy stopni, tak że żarzy się na żółto albo biało. Są to szczególne przypadki powszechnego procesu, który po raz pierwszy trafnie wyjaśnił niemiecki fizyk Max Planck: właściwie każdy obiekt (czy to na Ziemi, czy w przestrzeni kosmicznej) wysyła światło, a kolor tego światła jest związany z temperaturą obiektu.

Możemy dostrzec ten efekt, znany jako prawo promieniowania ciała doskonale czarnego albo prawo Plancka, gdy patrzymy na różnokolorowe gwiazdy. Nasze Słońce jest dość przeciętną gwiazdą. Temperatura jego powierzchni wynosi 5500°C, co daje żółtawe światło, tak jak przewiduje równanie Plancka.

Betelgeza, jasna gwiazda w gwiazdozbiorze Oriona, jest znacznie chłodniejsza, ma około 3800°C, a więc nawet dla nieuzbrojonego oka ma łatwo dostrzegalny czerwony odcień. Najjaśniejsza gwiazda na nocnym niebie, Syriusz (znany również jako Psia Gwiazda), ma temperaturę powierzchniową około 10 000°C, co nadaje jej niebieskawe zabarwienie.

Istnieją jednak inne gwiazdy, niewidoczne gołym okiem, które są znacznie gorętsze od Syriusza. Jak zobaczymy nieco dalej w tym rozdziale, tak naprawdę wszystko dzieje się głęboko w jądrze gwiazdy, w którym furia syntezy jądrowej wytwarza całe ciepło i światło gwiazdy nawet przez miliardy lat. Kiedy typowa gwiazda wyczerpuje całe paliwo, rozdyma większość swoich zewnętrznych warstw w powolnie rozszerzającą się powłokę gazu, okrywającą znajdujące się w środku jądro. Jądro, mała, gęsta kula helu, węgla i cięższych pierwiastków, nie spala już gazu w drodze syntezy jądrowej, ale wciąż jest niewiarygodnie gorąca. Ten umierający niedopałek, nazywany białym karłem, należy teraz do najgorętszych gwiazd we Wszechświecie, tak gorących, że rozpala otaczającą go powłokę wyrzuconego gazu we wspaniale żarzącą się chmurę nazywaną mgławicą planetarną.

Jak gorący jest zatem nowo powstały biały karzeł? Obecny rekordzista znajduje się w centrum pięknej mgławicy planetarnej pokazanej na ilustracji 1. Ta żarząca się chmura gazu, nazywana przez astronomów NGC 6537, ale znana powszechniej jako Czerwony Pająk, znajduje się w odległości około 2000 lat świetlnych w kierunku konstelacji Strzelca. (Rok świetlny to odległość, jaką można by przebyć w ciągu jednego roku, gdyby poruszało się z prędkością światła, czyli około 10 bilionów kilometrów. Zatem 2000 lat świetlnych to około 20 000 bilionów kilometrów!)

Przez cały wiek XX biały karzeł znajdujący się w centrum Czerwonego Pająka nie został zaobserwowany, a jego temperatura pozostawała nieznana. Są dwa powody, dla których takie gwiazdy tak trudno jest zobaczyć. Po pierwsze, są to maleńkie obiekty płonące w samym środku otaczających je żarzących się i jaśniejących chmur. Często jasność i złożoność mgławicy planetarnej przesłania widok znajdującej się w jej centrum gwiazdy.

Drugim powodem jest natomiast to, że ekstremalne gorąco takiej gwiazdy czyni ją niemal niewidoczną. Jak wspomniałem wyżej, prawo promieniowania ciała doskonale czarnego sformułowane przez Plancka głosi, że temperatura ciała decyduje o jego kolorze. Syriusz, którego powierzchnia ma temperaturę 10 000°C, jest tak gorący, iż żarzy się na niebiesko.

Co się dzieje, jeśli gwiazda jest jeszcze gorętsza niż błękitny Syriusz? W takich przypadkach prawo Plancka nadal znajduje zastosowanie, ale gwiazda będzie żarzyć się kolorem wykraczającym poza skalę, na którą wrażliwe są nasze oczy albo zwykłe teleskopy. W szczególności obiekty znacznie gorętsze od Syriusza będą żarzyć się w ultrafiolecie albo w paśmie promieni rentgenowskich. Różne temperatury i ich związek z różnymi kolorami wyrażany przez prawo promieniowania ciała doskonale czarnego pokazuje, że na pozór odrębne zjawiska, takie jak promieniowanie ultrafioletowe i promieniowanie rentgenowskie, są tak naprawdę częściami szerszego widma elektromagnetycznego, pokazanego na ilustracji 2. Widmo elektromagnetyczne obejmuje całą skalę różnych kolorów, sięgającą daleko poza srebrzyste światło, które mogą zobaczyć nasze oczy.

Białe karły są zatem pogrzebane głęboko w swoich mgławicach planetarnych i tak gorące, że nie emitują wiele światła widzialnego, lecz zamiast tego głównie ultrafioletowe i rentgenowskie części widma. Nie jest zatem zbyt zaskakujące, że supergorąca gwiazda w środku mgławicy Czerwony Pająk pozostawała niewidoczna przez wiele lat. Dopiero w 2005 roku Minkako Matsuura i jego współpracownicy użyli potężnego Kosmicznego Teleskopu Hubble’a umieszczonego ponad atmosferą Ziemi do zidentyfikowania maleńkiego punkciku światła odpowiadającego białemu karłowi znajdującemu się w centrum Czerwonego Pająka. Dzięki tej obserwacji i dalszym badaniom astronomowie dokonali precyzyjnych pomiarów koloru gwiazdy, a następnie, wykorzystując prawo Plancka, obliczyli jej temperaturę.

Wyniki były osłupiające – temperatura powierzchniowa gwiazdy w centrum mgławicy Czerwony Pająk to niewiarygodne 300 000°C, ponad 50 razy wyższa niż na Słońcu i 30 razy niż na potężnym Syriuszu.

Ta zadziwiająca gwiazda z jej ekstremalną temperaturą i spektakularnie świecącą mgławicą, która ją otacza, budzi nie tylko akademickie zainteresowanie. Wpatrując się bowiem w Czerwonego Pająka, widzimy nasz przyszły los. Za około 5 miliardów lat Słońcu również skończy się paliwo i w podobny sposób będzie rozszerzać swoje zewnętrzne warstwy. Z naszej gwiazdy i Układu Słonecznego pozostanie jedynie cudowna mgławica planetarna, rozświetlana przez intensywnie gorącego białego karła w jej centrum.

Reszta w pełnej wersji

2: Ekstrema światła

Dostępne w pełnej wersji

3: Ekstrema czasu

Dostępne w pełnej wersji

4: Ekstrema wielkości

Dostępne w pełnej wersji

5: Ekstrema prędkości

Dostępne w pełnej wersji

6: Ekstrema masy

Dostępne w pełnej wersji

7: Ekstrema dźwięku

Dostępne w pełnej wersji

8: Ekstrema elektryczności i magnetyzmu

Dostępne w pełnej wersji

9: Ekstrema grawitacji

Dostępne w pełnej wersji

10: Ekstrema gęstości

Dostępne w pełnej wersji

Epilog

Dostępne w pełnej wersji

Ekstremalne doświadczenia

Dostępne w pełnej wersji

Dalsze lektury

Dostępne w pełnej wersji

Ilustracje

Dostępne w pełnej wersji