Tragom zvezda

Uprkos Kantu

Verovatno postoje ljudi koji se nekada zapitaju kako zamo o zvezdama, galaksijama i ostalim nebeskim objektima sve te stvari kada su one toliko daleko i toliko nedostupne neposrednom istraživanju. Odgovor je poprilično jednostavan. Svetlost. Svetlost se u suštini može opisati sa tri parametra. Prvi je da je to vibracija električnog i magnetnog polja zbog čega svetlost spada u elektromagnetno zračenje. Druga karakteristika svetlosti je da se može posmatrati kao talas, a treća osobina svetlosti je rastojanje između dva vrha talasa – talasna dužina. Svetlost je i oblik energije a količina energije koju nosi sa sobom je obrnuto proporcionalna talasnoj dužini. Drugim rečima, što je veća talasna dužina to je manja energija talasa. Međutim, ljudima je mnogo prijamčivije da razmišljaju o bojama nego o energiji talasa. Boja i energija talasa su dve manifestacije zračenja koje isto znače.

Spektar elektromagnetnog zračenja i njegov mali deo – vidljiva svetlost

Plava, ljubičasta i indigo odgovaraju svetlosti kraćih talasnih dužina, a samim tim i viših energija, dok narandžasta i crvena odgovaraju svetlosnim talasima većih talasnih dužina manjih energija. Zelena i žuta odgovaraju srednjim talasnim dužinama i energijama. Ljubičasta svetlost ima talasnu dužinu oko 0.0004 mm, dok crvena ima talasnu dužinu od oko 0.0007 mm. Iza ove dve boje na manjim i većim talasnim dužinama postoji još talasa kraćih i dužih talasnih dužina, ali naše oko nije osetljivo na njih. Svetlost još kraćih talasnih dužina i većih energija od ljubičaste uključuje ultraljubičasto zračenje, X zrake i gama zrake, dok svetlost većih talasnih dužina i manjih energija od crvene uključuje infracrvenu svetlost i mikrotalase. Za astronomiju je najvažnije to što zvezde emituju svetlosne talase. Kada neki objekat dostigne temperaturu od 500 stepeni Celzijusa on ima dovoljno energije da emituje vidljivu crvenu svetlost i postaje bukvalno crven do usijanja. Ako se temperatura povećava, objekat ima veću energiju i počinje da emituje kraće plave talase veće energije, da bi se vremenom taj objekat transformisao od usijanocrvenog u vrelobelu boju, jer tada telo emituje talase čitavog niza talasnih dužina, od crvene do plave.

Vlakno standardne sijalice, koja emituje belu svetlost, radi na približno 3000 stepeni. Na osnovu ovoga je shvaćeno da utvrđivanjem udela različitih talasnih dužina u toj svetlosti, se može proceniti temperatura zvezda. Međutim, analiza svetlosti može da posluži i za određivanje hemijskog sastava zvezde. Tehnika koja se koristi bazirana je na istraživanju još iz 1752.godine, kada je škotski fizičar Tomas Melvil napravio interesantnu opservaciju. On je podrvgao različite supstance plamenu i primetio da je svaka od njih proizvodila karakterističnu boju. Na primer, kuhinjska so je odavala svetlonarandžastu boju. Ta posebna boja, karakteristična za so, može se objasniti strukturom soli na atomskom nivou. So je poznata kao natrijum-hlorid, a narandžasta boja potiče od atoma natrijuma u kristalu natrijum – hlorida. Ovim se objašnjava zašto su natrijumske lampe na ulici narandžaste boje. Ako ovako dobijenu svetlost natrijuma propustimo kroz prizmu, moguće je tačno analizirati koje se talasne dužine pojavljuju, kao i dve dominantne emisione linije, obe u narandžastom delu spektra. Svaki tip atoma ima sposobnost da emituje svetlost određenih talasnih dužina u zavisnosti od sopstvene atomske strukture. Neon emituje svetlost talasnih dužina koje se nalaze na crvenom kraju spektra. S druge strane, živa emituje svetlost nekoliko talasnih dužina u plavom delu spektra, što objašnjava plavu boju živine svetlosti. Ova nauka o atomima, svetlosti, talasnim dužinama i bojama je poznata pod imenom spektroskopija. Proces, pri kojem supstanca emituje svetlost naziva se spektroskopska emisija. Obrnuti proces, spektroskopska apsorpcija, takođe postoji, i to kada atom apsorbuje odgovarajuće talasne dužine svetlosti. Tako, ako se ceo skup talasnih dužina svetlosti propusti kroz paru soli onda će veliki deo svetlosti proći neizmenjen, ali će natrijumovi atomi u soli apsorbovati nekoliko ključnih talasnih dužina. Apsorbovane talasne dužine za natrijum iste su kao i emitovane, a ova simetrija između apsorpcije i emisije važi za sve atome. U stvari, apsorpcija, a ne emisija je ono što je bitno za astronomiju. Uzmimo na primer Sunce. Ono je dovoljno vrelo da emituje talsne dužine u celom vidljivom spektru, ali još početkom 20.veka fizičari su primetili da određene talasne dužine nedostaju. Shvaćeno je da su talasne dužine koje nedostaju apsorbovane atomima u Sunčevoj atmosferi. Mada je dobar deo bazičnog istraživanja uradio Jozef fon Fraunhofer, nemački pionir optike, za krucijalna otkrića 1859.godine zaslužni su Robert Bensen i Gustav Kirhof.

Zvezdani spektri klasifikovani prema vrsti zvezda

Oni su zajedno napravili spektroskop, specijalni instrument za precizno merenje talasnih dužina svetlosti koji emituje neki objekat. Koristili su ga pri analiziranju sunčeve svetlosti i uspeli da identifikuju da se dve talasne dužine koje nedostaju one koje se mogu asocirati sa natrijumom, zaključivši stoga da natrijum mora postojati u sunčevoj atmosferi. Kirhof je zatim potražio dokaze o postojanju drugih materijala u Sunčevoj atmosferi, kao što su teški metali. Ova tehnika zvezdane spektroskopije bila je toliko moćna da su 1868.godine Englez Norman Lokjer i Francuz Žil Žensen, nezavisno jedan od drugog, otkrili element na Suncu, pre nego što je bio otkriven na Zemlji. Identifikovali su liniju apsorpcije u sunčevoj svetlosti koja se nije mogla asocirati ni sa jednim poznatim atomom, tako da su Lokjer i Žensen zaključili da je u pitanju potpuno novi tip atoma. Dato mi je ime helijum, po Heliosu, grčkom bogu Sunca. Mada helijum obuhvata četvrtinu Sunčeve mase, veoma je redak na Zemlji, zbog čega je Lokjer dobio titulu sera. Vilijam Higins je još jedan naučnik koji je koristio moć spektroskopije. U toku 1860.godine primenio je spektroskopiju na druge zvezde i potvrdio da i one sadrže iste elemente koje nalazimo na Zemlji. Na primer, primetio je da spektar zvezde Batelgez sadrži tamne linije, koje su se pojavljivale na talasnim dužinama apsorbovanim atomima natrijuma, magnezijuma, kalcijuma, gvožđa i bizmuta. Time je pokazao da se Batelgez a verovatno i ceo univerzuma sastoji od istih materijala koji se nalaze na Zemlji. Higins je nastavio da proučava zvezde do kraja života, u čemu ga je pratila njegova žena Margareta. Njih dvoje su pokazali da sem određivanja sastojaka zvezda, spektroskopija se može iskoristiti pri merenju brzina zvezda. Do tada se smatralo da su zvezde statični objekti. Međutim, engleski atronom Edmund Halej je pokazao da to nije tačno. On je primetio suptilne razlike zabeleženih pozicija zvezda Sirijus, Arktarus i Procion. Shvatio je da ova neslaganja nisu rezultat netačnih merenja, već su posledica stvarnih promena pozicija zvezda vremenom.

Problem određivanja promene položaja zvezda i određivanja njihove brzine kretanja je zbog toga to se zvezda ne kreće uvek po nebeskom svodu. U suštini može da se kreće prema nama i od nas a da se to ne vidi na nebeskoj sferi. Njena radijalna brzina može biti toiko mala da ni najbolji teleskopi je ne mogu primetiti. Međutim, Hagins je shvatio da može iskoristiti spektroskopiju da nadomesti ovo ograničenje prilikom merenja sopstvenog kretanja. Ideja se oslanjala na povezivanje spektroskopa sa otkrićem u fizici austrijskog naučnika Kristijana Doplera. Dopler je 1842.godine otkrio da kretanje nekog tela utiče na talase koje ono emituje, bez obzira na to da li su ovo talasi na vodi, zvučni talasi ili svetlost. Ukratko, kada se objekat koji emituje talase kreće prema posmatraču, tada posmatrač primećuje smanjenje talasne dužine, a kada se emiter udaljava zapaža se povećanje talsne dužine. Isti efekat se dobija ako je objekat statičan a observer se kreće. Doplerov efekat je testiran za zvučne talase 1845.godine, kada je holandski meteorolog Kristof Bajs-Balot pokušao da opovrgne postojanje ove pojave. Međutim, mi danas jasno uočavamo Doplerov efekat svaki dan na ulici, kada se automobili približavaju, odnosno udaljavaju od nas. Jasno čujemo promenu visine tona, tj promenu talasne dužine zvučnih talasa. Isti efekat postoji i kod svetlosti. Taj efekat su Vilijam i Margareta Hagins uspeli da detektuju u spektru zvezde Sirijus. Apsorpcione linije Sirijusa bile su skoro identične onima u Sunčevom spektru, osim što je talasna dužina svake linije bila povećana za 0.015%. Pretpostavili su da je ovo zbog toga što se Sirijus udaljava od Zemlje. Povećanje talasne dužine se često naziva crveni pomak dok smanjenje talasne dužine se zove plavi pomak. Dakle, sva naša znanja o zvezdama dugujemo svetlosti. Univerzum se pobrinuo da imamo tragove, ali ih je poprilično dobro sakrio pa samo uz veliki trud možemo doći do velikih istina.