O B A F G K M — kako su zvezde dobile vrstu

Istorija astronomije

Deo 26 · Rim i Kembridž u Masačusetsu, 1863–1924.

Spektroskop je odgovorio na pitanje od čega je Sunce. Ali čim je uperen u druge zvezde, otvorio je novo pitanje koje niko nije očekivao.

Zvezde nemaju iste linije.

Fraunhofer je to primetio još 1817. i nije mogao ništa da zaključi. Posle Kirhofa, kad se znalo šta linije znače, razlika je postala zagonetka: ako su linije potpis elemenata, znači li to da su zvezde od različitih materija?

Odgovor je tražen šezdeset godina i ispostavio se da je pitanje bilo pogrešno postavljeno.

Prvi razvrstavač

Anđelo Seki (Angelo Secchi, 1818–1878), jezuita i direktor opservatorije Rimskog kolegijuma, prvi je uzeo zadatak ozbiljno.

Između 1863. i 1868. pregledao je spektre oko četiri hiljade zvezda, jednu po jednu, gledajući kroz okular i skicirajući rukom šta vidi. To je bio posao od nekoliko godina bez prekida.

Ono što je našao bilo je iznenađujuće. Spektri se nisu razlikovali nasumično. Padali su u nekoliko tipova, i tipova je bilo malo.

Seki ih je razvrstao u četiri razreda, a kasnije dodao peti:

• I — beličaste zvezde sa malo linija, ali sa nekoliko vrlo širokih i jakih. Primeri: Sirijus, Vega.
• II — žućkaste zvezde sa mnogo tankih linija, slične Suncu. Primeri: Sunce, Kapela, Arktur.
• III — narandžaste i crvenkaste zvezde sa širokim tamnim pojasevima umesto oštrih linija. Primer: Betelgez.
• IV — tamnocrvene zvezde sa pojasevima drugačijeg rasporeda; malobrojne.
• V — retke zvezde koje umesto tamnih pokazuju svetle linije.

Ovo je bio prvi pokušaj da se zvezde razvrstaju po nečemu što nije njihov položaj ili sjaj. Zvezde su prvi put dobile vrstu.

Seki je primetio i nešto što se lako previdi: razredi se poklapaju sa bojom. Beličaste zvezde su u prvom razredu, žućkaste u drugom, crvenkaste u trećem. Nije znao šta to znači, ali je zabeležio.

Ploča umesto oka

Seki je radio na granici onoga što jedan čovek može. Da bi se prešlo dalje, trebalo je zameniti oko.

Henri Drejper (Henry Draper, 1837–1882), njujorški lekar i imućan amater, prvi je 1872. fotografisao spektar zvezde — Vege — i na snimku razaznao linije.

Prednost fotografije je trostruka i vredi je razumeti.

Prvo, ploča pamti. Skica koju astronom nacrta zavisi od njegove veštine i sećanja; ploča se može ponovo pregledati, izmeriti pod uveličanjem, i uporediti sa drugom pločom snimljenom deset godina kasnije.

Drugo, ploča sabira. Oko vidi ono što stigne u datom trenutku. Ploča izložena satima skuplja svetlost sve to vreme, pa hvata zvezde mnogo slabije od onih koje se vide kroz isti teleskop.

Treće, i to je odlučilo stvar: ako se ispred teleskopskog otvora postavi tanka prizma preko cele površine, svaka zvezda u vidnom polju ne daje tačku nego kratku crticu — svoj sopstveni spektar. Jedan snimak daje stotine spektara odjednom.

Ta sprava se zove objektivna prizma i ona je razvrstavanje zvezda pretvorila iz zanata u masovnu proizvodnju.

Drejper je umro 1882, sa četrdeset pet godina. Njegova udovica Ana Drejper (Anna Draper) odlučila je da mu podigne spomenik na način koji je promenio astronomiju: finansirala je sistematsko snimanje i razvrstavanje spektara svih zvezda do određenog sjaja, na Harvardskoj opservatoriji. Poduhvat je nazvan Memorijal Henrija Drejpera i trajao je četiri decenije.

Harvardske računarke

Edvard Pikering (Edward Pickering, 1846–1919), direktor Harvardske opservatorije, imao je problem koji je bio nov u istoriji nauke: podataka je bilo više nego ljudi koji ih obrađuju.

Ploče su pristizale hiljadama. Svaka je nosila stotine spektara. Svaki spektar je trebalo izmeriti, uporediti i razvrstati. Posmatranje više nije bilo usko grlo — obrada jeste.

Pikering je zaposlio grupu žena da taj posao obavljaju. Zvali su ih računarkama (computers), jer je to tada bio naziv za osobu koja obavlja račun.

Razlozi su bili delom praktični, delom neugodni: žene su plaćane oko 25 do 50 centi po satu, znatno manje od muškaraca za isti posao, a univerzitetske katedre su im ionako bile zatvorene. Kroz grupu je kroz decenije prošlo preko osamdeset žena.

Ono što je počelo kao jeftina radna snaga ispostavilo se kao jedna od najproduktivnijih istraživačkih grupa u istoriji astronomije.

Fleming: prvi poredak

Vilijamina Fleming (Williamina Fleming, 1857–1911) došla je iz Škotske, ostala sama sa detetom, i zaposlila se kao kućna pomoćnica u Pikeringovom domaćinstvu. Pikering ju je 1881. prebacio u opservatoriju.

Njoj je pripao zadatak da napravi prvi veliki katalog. Razvrstala je preko deset hiljada zvezda, objavljenih 1890.

Njen sistem je bio jednostavan: razvrstavanje po jačini vodonikovih linija, koje su najuočljivije. Razred A ima najjače, B nešto slabije, i tako redom kroz abecedu do Q.

Fleming je uz to otkrila deset novih, preko tri stotine promenljivih zvezda i pedeset devet maglina. Među njima i onu koju danas zovemo Konjska glava, koju je 1888. prepoznala na ploči kao tamnu izbočinu.

Godine 1899. postavljena je za kustosa fotografskih ploča — prvi zvanični položaj koji je Harvard dodelio ženi.

Mori: drugi parametar

Antonija Mori (Antonia Maury, 1866–1952), sinovica Henrija Drejpera i školovana astronomka, dobila je zadatak da razvrsta sjajne severne zvezde sa spektrima boljeg kvaliteta.

Ona je posao uradila drugačije — i to je izvor sukoba sa Pikeringom, koji je hteo brzinu i jednostavnost, a ona je htela tačnost.

Mori je uvela sopstveni sistem sa rimskim brojevima od I do XXII. Ali je uvela i nešto što je bilo mnogo važnije od numeracije.

Primetila je da dve zvezde mogu imati iste linije na istim mestima, a da se ipak razlikuju — kod jedne su linije oštre i uske, kod druge šire i razlivenije. Označila ih je dodatnim slovima: a, b, i c za one sa naročito oštrim, uskim linijama.

Pikering je to smatrao nepotrebnim komplikovanjem i nije mu pridavao značaj. Mori je 1896. napustila opservatoriju.

Bila je u pravu, i to na način koji tada niko nije mogao da zna. Devet godina kasnije, danski astronom Ejnar Hercšprung utvrdio je da zvezde sa oznakom c nisu obična podvrsta nego sasvim druga vrsta zvezda — i to otkriće vodi pravo u sledeći deo ovog serijala.

Hercšprung je Pikeringu 1908. pisao da zanemariti Morinu podelu znači isto što i odustati od teleskopa i posmatrati golim okom.

Kenon: preuređenje

Ani Džamp Kenon (Annie Jump Cannon, 1863–1941) pridružila se 1896. Kao mlada je posle šarlaha ostala gotovo potpuno gluva.

Njoj je pripao glavni posao, i ona je najpre uradila nešto što nije bilo predviđeno: preuredila je ceo sistem.

Ovaj korak je za ovaj serijal najzanimljiviji, jer je čisto logički, i vredi ga izvesti pažljivo.

Zašto je jedan poredak ispravan, a drugi nije

Korak 1. Spektar zvezde nije jedan podatak nego mnoštvo: jačina vodonikovih linija, jačina kalcijumovih, prisustvo linija gvožđa, postojanje širokih pojaseva, ukupan raspored svetlosti po bojama. Nazovimo te veličine obeležjima.

Korak 2. Flemingin poredak je razvrstavao po jednom obeležju — vodonikovim linijama. To je legitiman izbor, ali proizvoljan; drugi bi izabrao kalcijum i dobio drugačiji redosled.

Korak 3. Kenon je postavila strožiji zahtev: poredak mora biti takav da se sva obeležja menjaju glatko duž njega. Ne samo vodonik, nego sve odjednom.

Korak 4. To je vrlo jak zahtev i uopšte nije očigledno da postoji poredak koji ga zadovoljava. Ako se obeležja menjaju nezavisno jedno od drugog, takav poredak ne postoji.

Korak 5. A on je postojao. Kenon je našla raspored u kome se sva obeležja menjaju postupno, bez skokova, od jednog kraja niza do drugog. Neki Flemingini razredi morali su da se izbace kao pogrešno izdvojeni, neki da se spoje, a preostali da se poređaju drugačije nego što abeceda nalaže:

O   B   A   F   G   K   M

Uz to je svaki razred podelila na deset podrazreda brojevima od 0 do 9, pa je Sunce postalo G2.

Korak 6. A sada zaključak koji je bio najvažniji, i koji se izvodi iz same činjenice da takav poredak postoji.

Ako se sva obeležja menjaju glatko duž jednog niza, onda spektri zvezda ne čine razbacan skup nego jednoparametarsku porodicu. To znači da postoji jedna jedina veličina koja određuje kako spektar izgleda.

Da su zvezde bile od različitih materija, nikakav jednodimenzionalan niz ne bi mogao da nastane — sastav ima mnogo nezavisnih sastojaka i dao bi razbacan oblak, ne liniju.

Zapamti ovo

Spektralni niz O B A F G K M — poredak u kome se sva spektralna obeležja menjaju glatko. Poklapa se sa bojom: O je plavičasta, M crvenkasta.

Postojanje takvog niza je samo po sebi rezultat. Ono kaže da spektar zavisi od jedne veličine — a ne od sastava, koji bi imao mnogo nezavisnih sastojaka.

Šta je ta jedna veličina

Ovde moram biti izričit o granici.

Da je ta veličina temperatura, sumnjalo se od početka — jer se niz poklapa sa bojom, a poznato je da usijano telo menja boju sa zagrevanjem, od crvene ka beloj i plavičastoj.

Ali sumnja nije dokaz, a nije bilo ni nagoveštaja kako bi temperatura mogla da promeni koje se linije javljaju. Vodonikove linije su najjače u razredu A, a slabije i u toplijim i u hladnijim zvezdama. Zašto bi imale vrhunac u sredini?

Odgovor na to zahteva da se zna šta se dešava sa atomom pri visokoj temperaturi, a to znanje nije postojalo do dvadesetih godina dvadesetog veka. Pripada serijalu o strukturi materije i kvantu i ovde se ne otvara.

Dotad je niz O B A F G K M bio iskustveno pravilo bez objašnjenja — kao spektralni potpisi kod Kirhofa u prethodnom delu, i kao Keplerovi zakoni pre Njutna. Radio je pouzdano decenijama pre nego što je iko znao zašto.

Napomena o pamćenju niza: pošto redosled slova nije abecedni, u engleskom govornom području odomaćila se rečenica čija početna slova daju poredak. Kod nas se obično pamti prosto kao niz.

Trista pedeset hiljada zvezda

Katalog Henry Draper Catalogue objavljivan je između 1918. i 1924, u devet tomova, sa 225 300 zvezda. Kasnija proširenja podigla su ukupan broj koji je Kenon razvrstala na oko 350 000.

Radila je brzinom koja se teško poverovati: pri kraju karijere razvrstavala je i do tri zvezde u minutu, gledajući spektar pod uveličanjem i diktirajući oznaku pomoćnici.

Izračunajmo šta to znači u vremenu.

350 000 / 3 ≈ 117 000 minuta ≈ 1950 sati

ukupan broj podeljen brzinom razvrstavanja

Skoro dve hiljade sati čistog rada za oči, uz sve provere, ispravke i ponovna razvrstavanja. Posao je trajao decenijama.

Oznake iz tog kataloga koriste se i danas. Kad savremeni rad navede zvezdu kao HD 209458, to je Kenonin broj.

Kenon je 1925. dobila počasni doktorat u Oksfordu — prva žena kojoj je dodeljen — a 1938, u sedamdeset petoj godini, i zvanično nastavničko zvanje na Harvardu.

Šta je ovo promenilo

Nauka je dobila podatke u industrijskoj količini. Do fotografije, astronom je posmatrao ono što stigne da vidi. Posle nje, i posle objektivne prizme, podaci su prevazišli ljudsku moć obrade — pa se pojavila potreba za organizovanim, podeljenim radom na velikim zbirkama. To je isti obrazac koji smo prvi put videli kod Klerovog računa za Halejevu kometu u osamnaestom delu, sada uvećan hiljadu puta.

Razvrstavanje je uvedeno kao metod. Do tada se u astronomiji merilo. Sad se i razvrstava — i ispostavilo se da razvrstavanje samo po sebi može biti otkriće, ako se ispostavi da poredak ima strukturu.

Nađen je jedan parametar. Postojanje niza O B A F G K M pokazalo je da zvezde nisu proizvoljno različite nego da ih određuje jedna veličina. To je bila najjača indicija da su zvezde ista vrsta stvari u različitim stanjima, a ne različite vrste stvari.

I nađen je nagoveštaj drugog. Morina oznaka c — one uske, oštre linije koje je Pikering odbacio kao nepotrebnu sitnicu — govorila je da spektralni razred ipak nije sve. Dve zvezde istog razreda mogu se u nečemu bitno razlikovati.

Kad je Hercšprung 1905. proverio te zvezde, ustanovio je da im je zajedničko nešto što sa linijama nema očiglednu vezu: sve su izuzetno sjajne za svoj razred.

Iz toga je sledio zaključak koji je zvučao neverovatno. Ako dve zvezde imaju isti spektar, a jedna je stotinama puta sjajnija — a rastojanja su poznata od Besela, pa se prividni sjaj može pretvoriti u stvarni — onda je ta zvezda prosto ogromna.

Šest godina kasnije, američki astronom je nezavisno došao do istog, ali je uradio nešto što Hercšprung nije: nacrtao je dijagram.

Tekst je nastao u saradnji sa modelom Claude Opus 5 (Anthropic), po autorskom konceptu i uz uređivanje autora bloga.