Tamne linije — kako je pročitan sastav Sunca

Istorija astronomije

Deo 25 · Benediktbojern i Hajdelberg, 1814–1868.

Prethodni deo se završio Kontovom tvrdnjom da sastav nebeskih tela nikada nećemo saznati. Tvrdnja je delovala neoborivo: do zvezde se ne može otići, uzorak se ne može doneti, a jedino što od nje stiže jeste svetlost.

Ono što niko nije primetio jeste da je svetlost već bila donela odgovor, i to dvadeset godina pre nego što je Kont to napisao. Poruka je stajala zapisana, izmerena i objavljena. Niko nije umeo da je pročita.

Staklar

Jozef Fraunhofer (Joseph Fraunhofer, 1787–1826) bio je jedanaesto dete staklara iz Štraubinga. Sa jedanaest godina ostao je siroče i dat je u šegrte kod proizvođača ogledala u Minhenu, koji ga je terao da radi i nije mu dozvoljavao da uči.

Godine 1801. zgrada radionice se srušila. Fraunhofer je bio među zatrpanima; spasavanje je nadgledao izborni knez Maksimilijan Jozef, koji se za dečaka zainteresovao i dao mu novac. Fraunhofer je njime kupio knjige i mašinu za obradu stakla.

Godine 1806. zaposlio se u optičkom preduzeću Jozefa Uclšnajdera, smeštenom u napuštenom manastiru u Benediktbojernu, i za nekoliko godina postao njegov vodeći stručnjak.

Njegovo interesovanje nije bilo naučno nego proizvodno. Trebalo mu je staklo boljeg kvaliteta, i trebao mu je način da izmeri koliko koje staklo savija svetlost — jer se sočiva ne mogu tačno računati ako se ta veličina ne zna precizno.

A za to merenje potreban je izvor svetlosti tačno određene boje. Bela svetlost ne valja, jer se različite boje različito savijaju, pa se dobija razmazana slika bez oštre tačke za merenje.

Fraunhofer je tražio takav izvor. Ono što je našao bilo je nešto sasvim drugo.

Šta ovde uzimamo kao poznatu činjenicu. Staklena prizma razlaže belu svetlost u traku boja — od crvene do ljubičaste. Tu pojavu je opisao Njutn 1666, a pomenuli smo je i u dvadeset drugom delu, kod Heršelovog ogleda sa termometrom. Zašto se to dešava, po kom zakonu, i šta je uopšte svetlost — sve to pripada serijalu o optici i ovde se ne otvara. Za sve što sledi dovoljno je ovo: prizma raspoređuje svetlost po boji, i mesto na kojoj se neka boja nađe u tako dobijenoj traci može se izmeriti sa velikom tačnošću. Tu traku zovemo spektrom (lat. spectrum, prikaza).

Tamne linije

Fraunhofer je najpre posmatrao plamen lampe kroz prizmu i primetio jednu svetlu narandžastožutu liniju, uvek na istom mestu. To je bilo tačno ono što mu je trebalo za merenja i to je i upotrebio.

Zatim je, iz radoznalosti, isto uradio sa Sunčevom svetlošću, propustivši je kroz uzan prorez pa kroz prizmu, i posmatrajući rezultat kroz mali durbin.

Očekivao je neprekidnu traku boja. Video je traku ispresecanu tamnim prugama.

Nisu bile nasumične. Bile su oštre, uvek na istim mestima, neke tanke a neke šire, negde zbijene u grupe. Fraunhofer ih je prebrojao — video ih je preko petsto sedamdeset — i najuočljivijim dao oznake slovima od A do K, počev od crvenog kraja.

Te oznake se koriste i danas.

Jedna od njih ga je posebno zaustavila. Tamna linija koju je označio slovom D nalazila se tačno na mestu one svetle žute linije iz plamena lampe.

Fraunhofer je to zabeležio kao činjenicu i nije umeo da je objasni. Nastavio je da meri.

Njegov posao bio je uzoran. Odredio je položaje linija sa tačnošću kakva pre njega nije postojala, a za to je i izradio spravu koja je merenje činila mogućim — rešetku sa hiljadama tankih paralelnih zareza. Kako ta sprava radi i koju veličinu zapravo meri, ponovo je pitanje optike.

Zatim je prizmu uperio u zvezde.

Otkrio je da i one imaju tamne linije — ali drugačije raspoređene. Spektar Siriusa razlikuje se od Sunčevog. Spektar Bételgeza razlikuje se od oba. Venera i Mesec, međutim, pokazuju linije iste kao Sunce, što je razumljivo jer svetle odbijenom Sunčevom svetlošću.

Zvezde se, dakle, međusobno razlikuju po nečemu što se vidi u svetlosti. Fraunhofer je to objavio 1817. i nije imao pojma šta je našao.

Umro je 1826, sa trideset devet godina, verovatno od posledica rada sa parama teških metala u proizvodnji stakla. Na njegovom nadgrobnom spomeniku piše da je približio zvezde.

Četrdeset godina nerazumevanja

Linije su bile poznate i merene decenijama, a niko nije znao šta znače. Bilo je predloga: da su posledica prelamanja u Zemljinoj atmosferi, da su svojstvo samog stakla, da su nekakve granice između boja.

Bilo je i posmatranja koja su vodila ka odgovoru, a nisu prepoznata.

Vilijam Talbot (William Talbot) je 1826. primetio da različite soli, unete u plamen, daju različite svetle linije, i predložio da bi se to moglo koristiti za prepoznavanje materija. Predlog je ostao bez odjeka.

Leon Fuko (Léon Foucault) je 1849. izveo ogled koji je bio ključ. Postavio je jak izvor svetlosti — električni luk — iza plamena sa natrijumom. Kad je posmatrao sam plamen, video je svetlu žutu liniju. Kad je posmatrao luk kroz plamen, na tom istom mestu pojavila se tamna linija.

Isti plamen, dakle, tu boju i zrači i upija, zavisno od toga šta je iza njega.

Fuko je to zapisao i nije razvio. Trebalo je da neko postavi pitanje na pravi način.

Hemičar i fizičar

U Hajdelbergu su se 1859. spojila dvojica.

Robert Bunzen (Robert Bunsen, 1811–1899) bio je hemičar koji je usavršio gorionik sa mešanjem gasa i vazduha — spravu koja daje skoro nevidljiv plamen bez sopstvene boje. To je bilo presudno: u običnom plamenu, sjaj samog plamena zakriva sve ostalo.

Bunzen je materije unosio u plamen i posmatrao boju kroz obojena stakla, pokušavajući da ih razlikuje. Postupak je bio nesiguran.

Gustav Kirhof (Gustav Kirchhoff, 1824–1887), fizičar, predložio je da se umesto obojenih stakala koristi prizma. Kirhof nam je već poznat iz serijala Istorija elektrotehnike, po pravilima za račun strujnih kola.

Zajedno su sastavili spravu koju su nazvali spektroskop: prorez, prizma, durbin, i skala za očitavanje položaja linija.

Rezultat je bio neposredan. Svaki hemijski element, unet u plamen, daje sopstveni skup svetlih linija — uvek isti, na uvek istim mestima, i različit od svih drugih.

Natrijum daje dve bliske žute linije. Kalijum daje ljubičaste. Litijum daje jarkocrvenu. Kalcijum, stroncijum, barijum — svaki svoj obrazac.

To je bio potpis. Nepogrešiv, nezavisan od količine, nezavisan od toga sa čim je element pomešan.

Osetljivost je bila zapanjujuća. Bunzen je utvrdio da spektroskop otkriva natrijum u količini od nekoliko miliontih delova grama — daleko ispod granice svake hemijske analize tog doba.

Metod je odmah dao i nove elemente. Pretražujući spektre mineralnih voda, njih dvojica su 1860. i 1861. otkrili cezijum i rubidijum — nazvane po boji linija, plavoj i tamnocrvenoj — jednostavno zato što su videli linije koje ne pripadaju nijednom poznatom elementu.

Tri pravila

Kirhof je zatim, tokom 1859. i 1860, sredio celu stvar u tri pravila koja se i danas uče pod njegovim imenom.

Zapamti ovo — Kirhofova pravila

Prvo. Užareno čvrsto telo, tečnost ili gust gas daju neprekidan spektar — punu traku boja, bez linija.

Drugo. Užaren razređen gas daje svetle linije, na mestima svojstvenim tom gasu.

Treće. Neprekidan spektar propušten kroz hladniji razređen gas daje tamne linije — i to tačno na onim mestima gde bi taj isti gas, da je užaren, davao svetle.

Uz to: gas upija upravo one boje koje bi sam zračio. Dobar zračilac je dobar upijač.

Poslednja rečenica je Kirhofov zaseban rezultat i on je do nje došao razmišljanjem, ne ogledom. Njegov argument je bio ovakav.

Korak 1. Zamislimo telo zatvoreno u prostoru čiji su zidovi stalne temperature, tako da telo i zidovi razmenjuju zračenje.

Korak 2. Posle dovoljno vremena, sve se izjednači na istoj temperaturi i tako ostaje. Telo, dakle, mora zračiti tačno onoliko koliko upija — inače bi se samo od sebe grejalo ili hladilo, iako je okolina iste temperature.

Korak 3. Ali to ne važi samo za ukupan iznos, nego za svaku boju posebno. Kad bi telo neku boju upijalo jače nego što je zrači, ta boja bi mu donosila višak, pa bi se telo zagrejalo iznad okoline. To je nemoguće.

Zaključak: odnos zračenja i upijanja isti je za svako telo, na datoj temperaturi i za datu boju.

Napomena: ovo je rasuđivanje iz nauke o toploti, i počiva na pretpostavci da se toplota sama od sebe ne prenosi sa hladnijeg na toplije. Tim pojmovima i njihovim izvođenjem bavićemo se u serijalu o termodinamici; ovde ih koristim samo koliko je potrebno da se vidi odakle Kirhofu pravilo. Iz istog razmatranja proizaći će, četrdeset godina kasnije, i pitanje koje će pokrenuti kvantnu fiziku — ali to je druga priča.

Šta je onda Sunce

Sada se sve sklapa, i sklapa se u jednom potezu.

Fraunhoferove tamne linije u Sunčevom spektru su linije upijanja. Sunce ima gust, užaren unutrašnji deo koji daje neprekidan spektar — prvo pravilo. Oko njega je razređeniji i hladniji sloj gasa. Taj sloj upija tačno one boje koje bi sam zračio — treće pravilo.

A pošto su te boje potpis elemenata, sledi:

Tamne linije u Sunčevom spektru govore od kojih je elemenata Sunčev spoljni sloj.

Fraunhoferova linija D poklapa se sa natrijumovom žutom jer u Suncu ima natrijuma.

Kirhof je odmah krenuo da upoređuje. Posmatrao je Sunčev spektar i spektar gvožđa jedan pored drugog, i utvrdio da se preko šezdeset linija gvožđa poklapa sa tamnim linijama u Suncu, i to sve, bez izuzetka.

Verovatnoća da se to poklopi slučajno je zanemarljiva. Zaključak: u Suncu ima gvožđa.

Do 1861. Kirhof je u Suncu prepoznao natrijum, gvožđe, kalcijum, magnezijum, nikl, hrom i još nekoliko elemenata.

Dvadeset šest godina pošto je Kont proglasio to znanje zauvek nedostupnim, sastav Sunca je bio poznat.

Postoji priča da je Kirhof, kad mu je bankar prigovorio kakva je korist od zlata u Suncu ako se ne može doneti, kasnije — pošto je dobio zlatnu medalju za taj rad — poslao medalju bankaru uz napomenu da je ipak uspeo da donese zlato sa Sunca. Anegdota je zabeležena posredno i verovatno je uglačana.

Šta pri tom nije bilo poznato

Ovde treba biti izričit, jer je to za ovaj serijal važno.

Kirhof i Bunzen su znali da svaki element ima svoj potpis. Nisu imali ni najmanju predstavu zašto.

Zašto natrijum daje baš te dve žute linije, a ne neke druge? Zašto su linije oštre, a ne razlivene? Zašto ih ima toliko i baš na tim mestima? Postoji li pravilo koje ih povezuje?

Na to nije bilo odgovora, niti nagoveštaja odgovora. Spektralna analiza je pola veka radila kao čisto iskustveno pravilo — kao otisak prsta, koji se prepoznaje bez razumevanja zašto je baš takav.

Objašnjenje je stiglo tek 1913, i za njega je bila potrebna sasvim nova fizika — građa atoma i kvantna teorija.

Time se ovde ne bavimo. To pripada serijalu o strukturi materije i kvantu. Za ovaj serijal je dovoljno ovo: pravilo je radilo pouzdano pola veka pre nego što je iko znao odakle potiče. To se u nauci dešava češće nego što se misli, i videli smo isto kod Keplerovih zakona pre Njutna.

Element nađen na Suncu pre nego na Zemlji

Osamnaestog avgusta 1868. bilo je potpuno pomračenje Sunca, vidljivo iz Indije. Za vreme takvog pomračenja Mesec zakloni sjajni Sunčev kolut, pa se na nekoliko minuta može posmatrati ono što ga okružuje — među ostalim i protuberance, ogromni mlazovi užarenog gasa koji se dižu sa Sunčeve ivice.

Francuski astronom Žil Žansen (Jules Janssen) posmatrao je iz Guntura i uperio spektroskop u protuberancu. Video je svetle linije — dakle drugo Kirhofovo pravilo, užaren razređen gas.

Uočio je i nešto praktično: linije su bile toliko jarke da bi se, sa dovoljno uskim prorezom, mogle videti i bez pomračenja. Sledećih dana je to potvrdio. Time je proučavanje Sunčevog oboda prestalo da zavisi od retkih pomračenja.

Nezavisno i nekoliko meseci kasnije, do istog postupka došao je Englez Norman Lokjer (Norman Lockyer). Njihova pisma stigla su Francuskoj akademiji praktično istovremeno, pa je zasluga podeljena; kovana je i medalja sa oba lika.

Lokjer je, međutim, primetio nešto više. U spektru protuberanci nalazila se jarka žuta linija koja je bila blizu natrijumovih, ali ne na njihovom mestu.

Poredio ju je sa svim poznatim elementima. Nijedan je nije davao.

Zajedno sa hemičarom Edvardom Franklandom (Edward Frankland) izneo je zaključak koji je bio smeo do drskosti: reč je o elementu koji na Zemlji nije poznat. Nazvali su ga helijum, po grčkom hēlios, sunce.

Tvrdnja je dvadeset sedam godina smatrana sumnjivom. Bilo je uverljivije pretpostaviti da je to neki poznati element u neobičnom stanju.

Godine 1895. škotski hemičar Vilijam Remzi (William Ramsay) izdvojio je gas iz jednog uranijumovog minerala i propustio ga kroz spektroskop.

Pojavila se ista žuta linija.

Helijum je, dakle, otkriven na Suncu dvadeset sedam godina pre nego na Zemlji — jedini element u istoriji za koji to važi.

Šta je ovo promenilo

Astronomija je prestala da bude nauka o položajima. Ovo je najveća promena u celom serijalu posle durbina.

Do 1859, sve što je izmereno bilo je gde je nešto i kada je tamo bilo. Uglovi i satovi, od vavilonskih pločica do Beselovog heliometra. Nebeska tela su bila tačke sa putanjama.

Posle 1859, od nebeskog tela se može pitati od čega je napravljeno. To je pitanje potpuno druge vrste, i za njega nije potrebno ni približiti mu se ni izmeriti mu položaj — dovoljna je njegova svetlost.

Nova nauka koja odatle nastaje dobiće ime astrofizika.

Zvezde su postale predmeti. Uz rastojanje koje je dao Besel, uz masu koja se dobija iz dvojnih zvezda kod Heršela, sada dolazi i sastav. Zvezda ima udaljenost, sjaj, masu i hemijski sastav — to je dovoljno da prestane da bude tačka i postane telo o kome se može govoriti.

Granica saznanja se pomerila na neočekivanom mestu. Kont nije bio budala; njegov argument je bio uverljiv i logički ispravan iz onoga što se tada znalo. Pogrešio je u jednoj tihoj pretpostavci — da svetlost nosi samo pravac i jačinu. Ta pretpostavka je bila pogrešna, i sve je visilo o njoj.

To je pouka koja se u ovom serijalu ponavlja. Tiho je odbacio Kopernika zbog prividnih kolutova zvezda. Njutn je tražio uzrok gravitacije i nije ga našao. Le Verje je tražio Vulkan. Svaki put je greška bila u pretpostavci koju niko nije ni primetio da pravi.

A čim je spektroskop uperen u više od jedne zvezde, pojavilo se ono što je Fraunhofer video i nije razumeo: zvezde nemaju iste linije. Neke pokazuju nekoliko širokih, neke stotine tankih, neke široke tamne pojaseve umesto oštrih crta.

Do 1868. bilo je jasno da se spektri razvrstavaju u nekoliko tipova. Nije bilo jasno šta ti tipovi znače — da li su zvezde različitog sastava, različite temperature, ili različite starosti.

Razvrstavanje je počeo italijanski jezuita koji je pregledao četiri hiljade zvezda i podelio ih u četiri grupe. Dovršila ga je, tri decenije kasnije, grupa žena zaposlenih u Harvardskoj opservatoriji da obrađuju fotografske ploče — među njima i jedna koja je pregledala preko trista hiljada spektara i uspostavila poredak koji se koristi i danas.

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