Heršel — planeta koju niko nije tražio
Šest planeta. Toliko ih je bilo u vavilonskim tablicama, toliko kod Ptolemeja, toliko kod Kopernika, toliko u Principiji.
Sunčev sistem je bio zatvorena celina — poznata, prebrojana, nepromenjena od pamtiveka. Kepler je u mladosti čak pokušao da dokaže zašto ih mora biti baš šest, sa pravilnim poliedrima, kako smo videli u trinaestom delu.
Trinaestog marta 1781, u vrtu jedne kuće u engleskom banjskom gradu, taj broj se promenio.
Muzičar
Vilijam Heršel (Friedrich Wilhelm Herschel, 1738–1822) rodio se u Hanoveru, u porodici vojnih muzičara. Svirao je obou u hanoverskoj gardi; posle poraza kod Hastenbeka 1757. napustio je vojsku — po nekim izvorima dezertirao — i prešao u Englesku.
Tamo je dvadeset godina bio profesionalni muzičar: orguljaš, dirigent, kompozitor. Napisao je dvadeset četiri simfonije, koncerte, crkvenu muziku. Od 1766. bio je orguljaš kapele u Batu, tada pomodnoj banji.
Astronomijom se počeo baviti oko 1773, iz radoznalosti koja je krenula od muzičke teorije — preko matematike harmonije došao je do optike i onda do neba. Iznajmio je durbin, ostao nezadovoljan, i odlučio da napravi bolji.
Kupovni instrumenti bili su preskupi i loši. Heršel je izabrao vrstu teleskopa koja koristi udubljeno ogledalo umesto prednjeg sočiva — konstrukciju koju je Njutn opisao još 1668. Ogledalo se izlivalo od legure bakra i kalaja, pa se ručno brusilo i poliralo do savršenog oblika.
To je bio posao od nekoliko meseci po ogledalu, sa velikim udelom neuspeha. Heršel je poliranje ponekad radio i po šesnaest sati bez prekida — priča kaže da mu je sestra u tim satima stavljala hranu u usta jer ruke nije smeo da skloni sa ogledala, pošto bi svaki prekid ostavio trag.
Do 1781. napravio je preko četiristo ogledala. Njegovi instrumenti bili su najbolji na svetu, bolji od onih u kraljevskoj opservatoriji.
Zašto veće ogledalo znači više. Za nas su ovde bitne dve stvari, obe već uvedene u petnaestom delu kad smo govorili o durbinu. Prvo, veća površina hvata više svetlosti, pa se vide slabija tela. Drugo, veći instrument bolje razdvaja dve bliske tačke — pa se ono što izgleda kao jedna svetlost razlaže na dve, ili se pokaže da nije tačka nego kolut. Zašto je tako i kojim zakonom, pitanje je optike i ovde ga ne otvaramo. Heršelov najveći teleskop, dovršen 1789, imao je ogledalo prečnika 1,2 metra i cev dugu 12 metara — bio je najveći na svetu narednih pola veka.
Karolina
Godine 1772. Heršel je iz Hanovera doveo sestru Karolinu (Caroline Herschel, 1750–1848). Imala je dvadeset dve godine, bila je niskog rasta zbog tifusa preleženog u detinjstvu, i u porodici je bila predviđena za kućnu poslugu.
U Engleskoj je najpre bila pevačica u bratovim koncertima, a zatim je prešla na astronomiju. Vodila je zapisnike, računala, katalogizovala, a od 1782. i sama posmatrala.
Otkrila je osam kometa i nekoliko magličastih tela. Sastavila je ispravke Flamstidovog kataloga i katalog magličastih tela koji je poslužio kao osnova kasnijim popisima. Godine 1787. kralj joj je odobrio platu od pedeset funti godišnje — prva žena u istoriji koja je plaćena za naučni rad. Kraljevsko astronomsko društvo dodelilo joj je zlatnu medalju 1828. i počasno članstvo 1835.
Živela je devedeset sedam godina. Rad braće i sestre Heršel treba čitati kao rad dvoje ljudi, ne jednog.
Metod: pregled neba
Ovde je nešto što Heršela izdvaja od svih dotadašnjih astronoma.
Do njega su astronomi posmatrali određena tela — planetu, kometu, zvezdu iz kataloga — da bi izmerili njen položaj. Cilj je bio tačnost.
Heršel je radio pregled (survey). Sistematski je prolazio kroz nebo, pojas po pojas, i beležio sve što vidi, bez unapred određenog cilja. Cilj je bila potpunost, a ne tačnost.
Prvi takav pregled počeo je 1774, drugi 1779. Upravo je tokom drugog došlo do otkrića.
13. mart 1781.
Te večeri, pretražujući sazvežđe Blizanaca, Heršel je naišao na objekat koji je odmah primetio kao neobičan.
Nije bio tačka. Kroz njegov instrument video se kao sitan kolut, i — što je bilo presudno — kolut se povećavao kad je Heršel povećavao uvećanje. Zvezde to ne rade; ostaju tačke, kako je pokazao još Galilej.
U dnevniku je zapisao da je to ili maglovita zvezda ili kometa. Četiri dana kasnije proverio je ponovo i utvrdio da se objekat pomerio u odnosu na okolne zvezde. To je isključilo zvezdu.
Prijavio ga je Kraljevskom društvu kao kometu.
Zašto ne planetu? Zato što niko dve hiljade godina nije otkrio planetu i to prosto nije bila kategorija u koju se razmišljalo. Heršel je video pomično telo koje nije zvezda; jedina poznata vrsta takvih tela, izuzev poznatih planeta, bile su komete.
Ali ponašanje nije odgovaralo kometi. Nije imalo rep, nije imalo zamućen omotač, i — najvažnije — kretalo se presporo i pravilno. Kometa blizu Zemlje juri; ovo je puzilo.
Ruski akademik Anders Leksel (Anders Lexell) i berlinski astronom Johan Elert Bode nezavisno su izračunali putanju i dobili nešto što nije bila parabola nego skoro kružna elipsa, na rastojanju od oko devetnaest astronomskih jedinica.
Do jeseni 1781. bilo je jasno: to je planeta, dvostruko dalja od Saturna.
Račun: gde je i koliko dugo obilazi
Primenimo Keplerov treći zakon iz četrnaestog dela, sada sa savremenim vrednostima.
Korak 1. Velika poluosa je 19,19 astronomskih jedinica. Period:
Korak 2. A sada ono što je savremenike zaista pogodilo. Do 1781. najdalja poznata planeta bio je Saturn, na 9,54 jedinica. Nova planeta je na 19,19.
Prečnik poznatog Sunčevog sistema se jednim otkrićem udvostručio. Uz astronomsku jedinicu izmerenu prolazima Venere iz prethodnog dela, to je značilo da sistem seže do oko 2,9 milijardi kilometara.
Rat oko imena
Heršel je planetu nazvao Georgium Sidus — „Džordžova zvezda", u čast kralja Džordža III, koji je takođe bio Hanoveranac i koji mu je odmah dodelio godišnju platu od dvesta funti sa jedinim uslovom da se preseli bliže dvoru i pokazuje nebo kraljevskoj porodici.
Heršel je time postao profesionalni astronom u četrdeset trećoj godini i napustio muziku.
Ime, međutim, van Engleske nije prošlo. Francuzi su ga zvali Heršel. Bode je predložio Uran (grč. Ouranos, nebo), po grčkom božanstvu neba, uz obrazloženje koje je bilo mitološki dosledno: Jupiter je otac Marsov, Saturn otac Jupiterov, pa neka sledeća planeta bude otac Saturnov.
Ime se ustalilo tek oko 1850, i to posle jednog spora o kome će biti reči u sledećem delu.
Planeta koja je viđena i pre
Kad je putanja bila poznata, moglo se gledati unazad u stare kataloge — isti postupak koji je Halej primenio na komete u osamnaestom delu.
Ispostavilo se da je Uran zabeležen najmanje dvadeset puta pre 1781, i to kao zvezda.
Najranije poznato takvo posmatranje je Flamstidovo iz 1690, koji ga je uneo u katalog kao zvezdu u Biku, pod oznakom 34 Tauri. Francuski astronom Pjer Lemonije (Pierre Lemonnier) zabeležio ga je dvanaest puta, među njima i četiri puta u razmaku od nekoliko dana — dovoljno da primeti pomeranje da je uporedio sopstvene zapise.
Ovo je poučan slučaj. Podaci su postojali, otkriće nije. Razlika je bila u tome što je Heršel gledao kako objekat izgleda, a ne samo gde je. Katalogizatori su beležili položaje; Heršel je pratio da li je nešto tačka ili kolut.
Dvojne zvezde: gravitacija van Sunčevog sistema
Ovo je, po mom sudu, Heršelov najvažniji rezultat, i manje je poznat od Urana.
Heršel je krenuo u sistematsko traženje parova zvezda koje se vide vrlo blizu jedna drugoj. Cilj mu je isprva bio potpuno drugi: hteo je da izmeri paralaksu.
Zamisao je bila pametna. Ako su dve zvezde slučajno na istom pravcu, a jedna je mnogo bliža od druge, onda će tokom godine bliža opisati paralaktičnu petlju u odnosu na dalju. Time se izbegava potreba da se meri apsolutni položaj — meri se samo razmak dveju zvezda, što je mnogo lakše.
Katalogizovao je stotine takvih parova, u tri kataloga objavljena 1782, 1785. i 1821.
Paralaksu nije našao. Ali je, prateći iste parove decenijama, primetio nešto drugo: kod nekih parova jedna zvezda se okretala oko druge.
Godine 1802. i 1803. objavio je rezultat za nekoliko parova, među njima Kastor u Blizancima. Kretanje je bilo pravilno, po luku, i moglo se pratiti kroz godine.
Šta to znači? Ako se dve zvezde uzajamno obilaze, onda ih nešto drži zajedno. A jedina sila koja to može je gravitacija.
Dakle: Njutnov zakon važi i van Sunčevog sistema.
Ovo se lako previdi, a ogromno je. Sve dotadašnje potvrde gravitacije — Keplerovi zakoni, plima, oblik Zemlje, Halejeva kometa — odnosile su se na tela koja obilaze Sunce. Nije bilo nikakvog dokaza da isti zakon važi na rastojanjima do zvezda. Bilo je moguće da je gravitacija svojstvo Sunčevog sistema.
Dvojne zvezde su to rešile. Zakon otkriven iz kretanja Meseca važi i tamo gde Sunce nije više od jedne tačke među zvezdama.
Kasnija posledica: kad se izmeri period obilaska dvojnog para i njegovo rastojanje, iz odnosa M ∝ a3/T2 iz sedamnaestog dela sledi masa zvezde. To je i danas jedini neposredan način da se masa zvezde izmeri.
Sunce se kreće
Heršel je 1783. postavio pitanje koje niko pre njega nije ozbiljno postavio: kreće li se Sunce?
Postupak je bio ovakav. Zvezde imaju sopstvena kretanja po nebu — sitna, ali merljiva; otkrio ih je Halej 1718, upoređujući savremene položaje Sirijusa, Arktura i Aldebarana sa Ptolemejevim vrednostima i utvrdivši da su se pomerile za više od pola stepena.
Ako se Sunce kreće kroz zvezdano polje, onda bi zvezde u pravcu kretanja morale prividno da se razmiču, a one iza nas da se skupljaju — kao kad se ide kroz šumu i drveće ispred se razmiče u stranu.
Heršel je uzeo trinaest zvezda sa poznatim sopstvenim kretanjem i tražio tačku od koje se sve razmiču. Našao ju je u sazvežđu Herkula.
Savremena vrednost je vrlo blizu Heršelove. Sunce zaista putuje ka tački u Herkulu, brzinom od oko 20 km/s u odnosu na obližnje zvezde.
Time je i poslednji ostatak posebnosti pao. Nije samo Zemlja pokretna — ni Sunce ne miruje. Njutn je to nagovestio iz trećeg zakona kretanja, kako smo videli u sedamnaestom delu; Heršel je izmerio.
Oblik Mlečnog puta
Heršel je 1785. pokušao nešto što do tada niko nije ni pomišljao: da odredi oblik zvezdanog sistema u kome se nalazimo.
Metod je nazvao merenjem dubine neba. Sastojao se u brojanju zvezda: uperi teleskop u dati pravac, prebroj koliko zvezda vidiš u vidnom polju, ponovi za mnogo pravaca. Ako u nekom pravcu ima više zvezda, taj pravac seže dublje.
Prebrojao je zvezde u 683 polja i nacrtao presek. Dobio je izduženu, nepravilnu ploču, sa Suncem blizu središta i sa procepom u jednom kraju — što odgovara tamnoj pruzi koja se u Mlečnom putu vidi golim okom.
Rezultat je bio pogrešan, i vredi tačno reći zašto — Heršel je i sam kasnije posumnjao.
Prva pretpostavka: da su sve zvezde približno jednako sjajne, pa da slabije znače dalje. Nije tačno — zvezde se po sopstvenom sjaju razlikuju hiljadama puta.
Druga pretpostavka: da je prostor između zvezda providan. Nije tačno — u ravni Mlečnog puta ima prašine koja upija svetlost, pa daleke zvezde ne vidimo uopšte. To je otkriveno tek 1930.
Zbog toga smo uvek u središtu onoga što vidimo, ma gde bili. Prašina nam skraćuje vidik podjednako u svim pravcima, pa izgleda da smo u sredini. Heršelovo Sunce blizu središta je posledica te obmane.
Ali metod je bio ispravan i pitanje je bilo pravo. Heršel je prvi tretirao Mlečni put kao predmet sa oblikom i dimenzijama, a ne kao pozadinu. To je začetak proučavanja građe svemira izvan Sunčevog sistema.
Magline i pitanje koje je ostalo otvoreno
Braća Heršel katalogizovali su preko 2500 magličastih tela — mrlja koje se ne razlažu na zvezde. Njihov katalog, koji je kasnije proširio Vilijamov sin Džon, osnova je popisa koji se i danas koristi.
Heršel je o njima menjao mišljenje nekoliko puta, i to je pošteno navesti. Isprva je smatrao da su sve to daleki skupovi zvezda koje bi se, sa dovoljno velikim teleskopom, razložile — i nazvao ih ostrvskim svemirima, po izrazu koji je preuzeo od filozofa Imanuela Kanta.
Zatim je 1791. naišao na maglinu sa jasnom zvezdom u središtu, okruženom ravnomernim sjajem koji se ne razlaže. Zaključio je da postoji i svetleća materija koja nije zvezdana.
Bio je u pravu oba puta — neke magline jesu galaksije, neke jesu oblaci gasa. Ali razlikovati ih nije mogao, i pitanje je ostalo otvoreno sto trideset godina. Rešiće se tek 1924.
Ogled sa termometrom
Godine 1800. Heršel je izveo ogled koji je počeo kao praktično pitanje i završio kao otkriće.
Posmatrajući Sunce kroz obojena stakla, primetio je da neka boja stakla propušta više toplote nego druga, pri istoj količini svetlosti. Zapitao se da li se toplota u Sunčevoj svetlosti raspoređuje ravnomerno.
Postavio je ogled: propustio je sunčev zrak kroz staklenu prizmu, koja svetlost razlaže u traku boja — pojavu koju je Njutn opisao još 1666. Zatim je u traku boja postavio termometar sa zacrnjenom kuglicom, i pomerao ga od jedne boje do druge, mereći koliko se svaka zagreva. Uz to je držao još dva termometra sa strane, izvan trake, kao kontrolu.
Rezultat: temperatura raste kako se ide od plavog kraja ka crvenom. Zatim je termometar pomerio iza crvenog kraja, tamo gde se ne vidi ništa.
Termometar je pokazao još višu temperaturu nego u crvenom.
Heršel je zaključio da tamo postoji nešto što se ne vidi a greje. Nazvao ih je toplotnim zracima; danas to zovemo infracrvenim zračenjem.
To je prvi put da je čovek otkrio nešto izvan onoga što oko može da vidi.
Šta ova pojava zapravo jeste, kako se odnosi prema svetlosti i toploti, i zašto se prizma tako ponaša — sve to pripada serijalima o optici i o toploti i ovde se ne otvara. Za astronomiju je važna posledica: nebo zrači i tamo gde ga ne vidimo, i za to je potreban instrument koji nije oko.
Uran, 1781 — prva planeta otkrivena u istoriji. Prečnik poznatog Sunčevog sistema udvostručen jednim posmatranjem.
Dvojne zvezde — dokaz da gravitacija deluje i van Sunčevog sistema. Jedini neposredan način merenja mase zvezde.
Pregled neba — sistematsko pretraživanje bez unapred određenog cilja. Metod koji otkriva ono što se nije tražilo.
Šta je ovo promenilo
Sunčev sistem je prestao da bude zatvoren. Ako postoji sedma planeta, može postojati i osma. Pitanje „šta još ima" prvi put je postalo legitimno.
Astronomija je izašla iz Sunčevog sistema. Do Heršela, zvezde su bile pozadina — nepomične tačke prema kojima se mere položaji planeta. Posle njega, zvezde su predmet proučavanja: imaju kretanja, obilaze jedna oko druge, raspoređene su u sistem koji ima oblik.
Instrument je postao odlučujući. Heršel nije bio bolji matematičar od savremenika — bio je osrednji. Imao je najbolje teleskope na svetu, jer ih je pravio sam. Od njega naovamo, napredak u astronomiji ide uporedo sa napretkom u izradi instrumenata.
I nešto što se odmah nije videlo: Uran je počeo da pravi problem.
Kad su Bode i drugi našli stara posmatranja iz 1690, 1712. i kasnije, moglo se izračunati kretanje unazad kroz gotovo ceo vek. Napravljene su tablice.
Tablice nisu radile. Uran je odstupao od predviđenog položaja — najpre za nekoliko lučnih sekundi, pa sve više. Do 1830. odstupanje je iznosilo pola lučnog minuta; do 1845. skoro dva.
Bilo je to malo, ali nesumnjivo, i predstavljalo je prvi ozbiljan izazov Njutnovom zakonu posle sto pedeset godina neprekidnih pobeda.
Postojala su dva izlaza. Ili zakon gravitacije ne važi tačno na tolikim rastojanjima — što su neki ozbiljno predlagali. Ili nešto vuče Uran, nešto što još nije viđeno.
Dvojica ljudi, jedan u Engleskoj i jedan u Francuskoj, nezavisno su izabrala drugu mogućnost i seli da izračunaju gde bi to nešto moralo biti.
Tekst je nastao u saradnji sa modelom Claude Opus 5 (Anthropic), po autorskom konceptu i uz uređivanje autora bloga.
Comments
Post a Comment