Student World

…
Ačkoliv se zdálo, že původní Shapleyův názor na Mléčnou dráhu jako na jedinou galaxii beznadějně zastaral, ukazovalo se, že pokud jde o její enormně velký rozměr, má pravdu. Ostatně také Hubble použil ke zjištění vzdálenosti Andromedy stejné kalibrace cefeid – Shapleyho křivky – která vedla k závěru, že se Mléčná dráha může chlubit od jednoho ke druhému konci třemi sty tisíci světelných lety. Právě z této hodnoty dál extrapoloval pomocí rudého posunu, aby měřil vzdálenosti v prostoru vzdáleném sto milionů světelných let. Jestliže měl Hubble pravdu, pokud jde o rozměr vesmíru, zdálo se, že Shapey má zase pravdu, co se týče rozměru Mléčné dráhy.
A to vedlo k dilematu. Astronomové se svými měřicími metodami by teď mohli odhadovat, jak velké jsou ostatní galaxie. Vezmeme pozorovanou velikost galaxie a upravíme ji podle vzdálenosti, abychom získali správný rozměr. Vypadá to jednoduše, jenže výsledky výpočtů byly znepokojující. Velikost žádné z galaxií nevyšla tak, aby byla srovnatelná s rozměry Mléčné dráhy. Andromeda měřila jenom desetinu, zatímco rozměry napříč ostatními galaxiemi se pohybovaly od pouhého tisíce světelných let do asi 75 000. Pojem „ostrovní vesmír“ nabýval nového významu se zdůrazněním prvního slova. Jestliže tyto vzdálené spirály jsou ostrovy, vyvozoval Shapley, pak naše vlastní galaxie je cosi jako kontinent.
Pro lidi žijící o několik let dříve by zjištění, že žijí v největší galaxii, zdálo přijatelné. Ale doba se změnila. Shapley posunul Slunce ze středu galaxie a Hubble umístil Mléčnou dráhu mimo střed vesmíru. Změněná perspektiva se zakořeňovala natolik, že byla rozhodujícím kritériem, podle kterého se posuzovaly astronomické představy. Jestliže se zdálo, že teorie nebo pozorování předpokládají, že my jako pozorovatelé jsme náhodou obsadili na nebesích nějak privilegované místo, pokládalo se to za chybu.
Možné samozřejmě je, že náhoda tomu chtěla a pozemšťany na nějaké speciální pozici prostě umístila. Ale ostatní nesrovnalosti se daly zanedbat obtížněji. Kdyby teorie velkého třesku byla správná, pak by rozměr vesmíru byl indikátorem jeho stáří. Čím by byl větší, tím déle by expandoval od doby prvotní exploze. Kdyby galaxie na periférii byly vzdálené dvě miliardy světelných let, jak vyplývalo z posledních měření, muselo jim trvat dostat se na své dnešní místo opět dvě miliardy let.
Takové číslo se zdálo být rozumné, nicméně stáří Země, měřeno použitím technik radioaktivního datování, vycházelo na čtyři miliardy let – tedy dvakrát tolik, než je stáří vesmíru, kterého je součástí. Jednu z těch hodnot bylo třeba nějak změnit.

Když se při spojování znalostí objeví podobné potíže, může být příčinou chyby leccos –špatné údaje nebo chybný předpoklad, selhání nemyslících přístrojů i lidského mozku. Lidé mohou vidět věci, které se ukážou jako chiméra, nebo naopak nevidí to, co je přímo před jejich dalekohledy.
Na kalifornské observatoři Lick studoval v té době Robert Trumpler, astronom narozený ve Švýcarsku, struktury Mléčné dráhy nazývané otevřené hvězdokupy. Tato hvězdná seskupení – jejich příkladem jsou Plejády – jsou menší a volněji shluknuté než kulové hvězdokupy, které při mapování galaxie používal Shapley. Trumpler porovnával u každé hvězdokupy její skutečnou jasnost a zjevnou svítivost, a vypočetl tak její vzdálenost. Když měl tuto informaci k dispozici, mohl převádět zdánlivý rozměr hvězdokupy na skutečný rozměr – na to, jak je reálně velká.
Poté, co Trumpler změřil tímto způsobem větší množství hvězdokup, byl nucen dojít k bizarnímu závěru: čím byla hvězdokupa dál od Země, tím větší se zdála. Co děláme ve středu tak symetrického uspořádání, obklopeni ve všech směrech pořád většími a většími hvězdokupami?
Trumpler tedy usoudil, že je mnohem pravděpodobnější, že se nechal oklamat optickou iluzí. Ve všech jeho výpočtech, stejně jako ve výpočtech skoro všech dalších astronomů, bylo považováno za samozřejmost, že vesmír je všeobecně transparentní, průzračné a prázdné médium, kterým světlo může bez procházet překážek. Nicméně jestliže by Mléčná dráha byla prostoupena jemným kosmickým prachem, měření by byla zkreslená – zvláště v místech, kde je prach nejhustší, tedy podél galaktické roviny. Jasnosti hvězdy nebo galaxie možná neodpovídají pouze vzdálenostem, nýbrž také kosmickému znečištění. Čím je galaxie dál, tím je tento efekt zřetelnější. Jakmile Trumpler zkreslení zkorigoval, ukázalo se, že všechny hvězdokupy jsou přibližně stejné velikosti.
Astronomové věděli o existenci prachu v Mléčné dráze už dřív. Překvapením bylo, že mohl být tak všudypřítomný. Od skoro samého začátku pozorovatelé hvězd zápasili se světlem a znečištěním vzduchu tady na Zemi. Jak se civilizace vyvíjela a zhoršovala se jasnost oblohy, stavěli se své observatoře výš a výš v horách. Astronomové si však nikdy nemysleli, že tak špinavý může být i samotný vesmír.
A tak při řešení Velkého galaktického problému – anomálního rozměru Mléčné dráhy – došlo k prvnímu pokroku. Když Shapley prováděl svá měření, díval se skrz mlhu. Ta způsobila, že některé z jeho světelných majáčků pak vypadaly mnohem vzdálenější, než ve skutečnosti byly. Jakmile se faktor prachu dosadil do rovnic, domácí galaxie se co do rozměru smrštila. Pořád ještě byla větší než ostatní, ale úprava byla pokládána za krok správným směrem. Ještě měly přijít další revize.

Zatímco se Shapleyho mapa naší galaxie zmenšovala, mapa celého vesmíru bobtnala. Důvodem byl opět kosmický prach. Kvůli galaktickému zamlžení Shapley podcenil skutečnou jasnost cefeid v Mléčné dráze, tedy těch, které byly základem stupnice perioda – svítivost. Když se Hubble spoléhal na ten samý standard při měření vzdálenosti Andromedy, omylem vlastně zaměnil ve skutečnosti 75wattové žárovky za 60wattové. Jestliže tyto cefeidy svítily ve skutečnosti jasněji, pak byly dále. Použitím metody rudého posunu pak byly měřeny další galaktické vzdálenosti vztažené ke vzdálenosti Andromedy, takže se chyba dominovým efektem šířila dál. Všechno bylo ve skutečnosti vzdálenější, než se zdálo.

Ukázalo se také, že prach je jen částí problému. Už v době Velké debaty Heber Curtis tvrdil, že Shapley zachází příliš daleko, když předpokládal, že pro proměnné hvězdy v kulových hvězdokupách Mléčné dráhy platí stejný vztah mezi periodou a jasností jako pro proměnné, které nalezla Henrietta Leavittová v Magellanových mračnech. Oba druhy byly společně hozeny do jednoho pytle, aby vznikla Shapleyeho křivka, metr, který Hubble použil k měření Andromedy.
Princip jednoty fyzikálních zákonů k takovým typům generalizací přímo vybízí. Ale jsou ty dva typy proměnných hvězd skutečně totožné? Pokud ne, celá stupnice vzdáleností by mohla být nakřivo.
Jisté nebeské anomálie napovídaly, že je tomu skutečně tak. Dokonce se ukázalo, že když se vezme v úvahu vzdálenost, pak nejjasnější z kulových hvězdokup v Andromedě – ty které jsou nejsnadněji detekované – mají, jak se zdá, menší vlastní jasnost než jejich protějšky v Mléčné dráze. Německý astronom Walter Baade si později vzpomněl, že o nesrovnalosti diskutoval v zamračených zimních nocích na Mount Wilson s Hubblem, když čekávali na vyjasnění oblohy. Hubble argumentoval, že může jít o příklad, kdy by princip jednoty nemusel být tak otrocky dodržen. Konec konců, poznamenal, hvězdokupy ve vzdálenější galaxii Trojúhelník (Triangulum) M33 byly ještě slabší. Možná, že tento druh odchylek je normální.
Baade měl jiný nápad. Možná, že stupnice vzdáleností je chybná. Hvězdokupy v Andromedě a Trojúhelníku M33 by pak ve skutečnosti neemitovaly méně světla, ale byly by jednoduše dál, než se počítalo. Je-li tomu tak, princip jednoty by byl zachován. Baade měl brzy šanci tuto hypotézu podrobit testu.
Ve 40. letech 20. století bylo mnoho astronomů mimo své observatoře, protože sloužili ve válce. Samotný Hubble brzy řídil zkoušení balistických střel na Aberdeen Proving Ground v Marylandu. Jakmile Baade, vlastně nepřátelský cizinec, přesvědčil vládní úřady, že bezpečnost Spojených států neohrožuje, bylo pro něj jednoduché zajistit si čas na dalekohledu na Mountin Wilson. Opakující se vypínání elektřiny, jehož cílem bylo odvrátit letecké útoky na Los Angeles, navracely noční obloze její prvotní čerň. Při zaměření stopalcového dalekohledu na Andromedu mohl Baade skutečně rozeznat jednotlivé hvězdy nejenom na okrajích spirál, ale i uvnitř hustého galaktického jádra.
Objevil něco, co vypadalo jako dva typy hvězdného světla. Hvězdy ve středu galaxie a v jejích kulových hvězdokupách byly zbarveny odlišně od „obyčejných“ hvězd na okrajích galaxie. To znamenalo, že tyto dva typy musejí mít rozdílné chemické složení. Zatímco „klasické“ cefeidy slečny Leavittové patřily do skupiny nyní nazývané Populace I, Shapleyeho proměnné hvězdokupy patřily k Populaci II. Víc než jindy se zdálo přitažené za vlasy předpokládat, že pro obě skupiny platí stejný vztah mezi periodou a jasností.
Když byl na Mount Palomar, devadesát mil jihovýchodně od Mount Wilson, zapojen nový dvěstěpalcový Haleův dalekohled, zamířil jej Baade na Andromedu, aby si ji lépe prohlédl. Zpozoroval, že klasické cefeidy byly v průměru o 1,5 třídy jasnější než proměnné hvězdokupy. Došel k závěru, že „namísto jednoho vztahu perioda – svítivost existují ve skutečnosti vztahy dva.“
Když se do zákona o nepřímé úměře druhé mocniny dosadila vyšší hodnota jasnosti klasických cefeid, ukázalo se, že Andromeda je dvakrát tak daleko, než si myslel Hubble. A stejně tak to bylo se vzdáleností všeho ostatního. Jak uváděli noviny, vesmír se přes noc dvakrát zvětšil. Z hlediska teorie velkého třesku se zdvojnásobilo také jeho stáří. Už nebyl mladší než Země.

***

Poznámka: Jedná se o verzi textu před závěrečnou korekturou.

***

Tento text je úryvkem z knihy:
George Johnson : Až na konec vesmíru – Jak Henrietta Leavittová a Edwin Hubble bilionkrát zvětšili vesmír
Anotace:
Úplně běžně dnes uvádíme, kolik světelných let je od nás vzdálena která hvězda či mlhovina. Jak jsme ale na tato čísla přišli? Kniha nás provede od prvních pokusů o určení vzdálenosti Slunce a Měsíce, které podnikli antičtí astronomové, až k teoriím moderních velikánů tohoto vědního oboru, jako byl Edwin Hubble. V jejím centru však stojí téměř zapomenutý příběh ženy, jež na počátku 20. století objevila jeden z významných zákonů umožňujících měřit vesmír – příběh Henrietty Swan Leavittové.
O knize na stránkách vydavatele

autor