Kutatók manuálja

Parallaxis Podcast #25

2020. április 30. - Parallaxis Univerzum

Ádám és Miklós körülbelül öt kilométerre laknak egymástól, míg Csaba nagyjából huszonöt kilométerre tőlük. Ezek nem nagy számok, könnyen elképzelhetünk ekkora távolságokat, de mi van akkor, ha kozmikus méretekről van szó? Hogyan határozták meg ókori elődeink a világegyetemben tapasztalható hatalmas távolságokat, és hogyan határozzák meg a kutatók ma? Ami nem kézzelfogható, arra a tudomány ad választ, ahogy egy távoli csillag vagy bolygó légkörének összetételére, vagy az ásatásokon talált leletek korára. A mentőautók szirénájától a világegyetem tágulásáig a Parallaxis aktuális epizódjában, melyben megismerkedhetünk a kutatók manualjával, amit a tudomány csatolt a természet kézikönyvéhez.

Felnézel a Holdra, s mintha kinyújtott kézzel megérinthetnéd, pedig átlagosan 384 ezer kilométerre van Földönktől. Ez annyi, mint az Egyenlítő hossza bő kilenc és félszer, és ez még mind semmi, hiszen ez mindössze 1,28 fénymásodpercnyi távolság, a fényév apró töredéke, mivel a fény egy másodperc alatt nagyjából háromszázezer kilométert tesz meg. A Plutó, aminél először a New Horizons űrszonda járt 2015-ben is “csak” ötmilliárd kilométerre van, azaz a másodpercenként a Föld-Hold távolságot átszelő fény bő nyolc percet utazik központi csillagunktól a Földig, majd további öt órát, mire eléri a leghíresebb törpeplanétát.

Az univerzum pedig hatalmas: a Naprendszerünkhöz legközelebbi csillag, a Proxima Centauri kicsit több, mint négy fényévre van, ami elsőre talán közelinek tűnik, de gondoljunk csak bele, az Apollo űrhajók néhány nap alatt tették meg a Föld-Hold távolságot. Azt a távolságot, amit a fény nagyjából egy másodperc alatt tesz meg. Innen nézve mindjárt sokkal távolibbnak tűnik eme idegen világ. Csak galaxisunk, a Tejút átmérője százezer, a világegyetem sugara pedig közel tizennégymilliárd fényév.

Ha már alaposan belezavarodtatok a számokba, joggal merülhet fel a kérdés, hogy ha valami ilyen messze van, azt hogyan lehet megmérni, egyszerűbben szólva honnan tudjuk, hogy milyen távol vannak az egyes égitestek a világmindenségben? Mielőtt viszont megismerkedünk a szupernóvák egy speciális fajtájával, ismerkedjünk meg néhány kozmikus távolságmérési módszerrel:

Az ókori görögök például a Föld átmérőjére az árnyékok különböző szélességeken látható hosszából következtettek, és igyekeztek a Nap és a Hold méretarányait geometriai okoskodásokkal meghatározni.

Műsorunk címe, a Parallaxis, egyben egy, a testek egymáshoz viszonyított helyzetének változása eltérő irányokból nézve. A csillagászatban az a szög, amely alatt egy szakasz egy külső pontból látszik. A már említett Proxima Centauri parallaxisa például 0,77 ívmásodperc, azaz kevesebb, mint egy kör 28 ezred része, vagyis a Proxima Centauriból nézve a Nap és a Föld még akkor is csak 0,77 ívmásodperc alatt látszódna, ha a Föld a Nap körüli pályáján éppen a legmegfelelőbb pozícióban volna. De mit jelent ez pontosan? És mi köze van ehhez, a sci-fikben előszeretettel emlegetett parszekhez, azaz a parallaxis szekundumhoz. Hát csak annyi, hogy egy parszek az a távolság, aminek parallaxisa egy ívmásodperc.

De honnan tudják a kutatók, hogy milyen messze van a távcsőben látható galaxis? Itt az ideje, hogy megismerkedjünk az 1A típusú szupernóvákkal, azaz a természet helpdeszkjével a kozmikus távolságmérés világában. Ezek a speciális szupernóvák ugyanis mindig ugyanolyan tömegű csillagok haláltánca, tehát a robbanásuk fénye is azonos. Innentől kezdve pedig ennek a fénynek a mérésével a szupernóvát sztenderd gyertyaként használva könnyen meghatározható a csillagászok számára az adott távolsága. De nem csak az 1A típusú szupernóvák segíti a csillagászokat, hanem a Cefeida-típusú változó vagy pulzáló változócsillagok is, mivel változási periódusa és abszolút fényessége között összefüggés van. És hát minél messzebb van, annál régebben látunk vissza az időben, legyen szó a szomszédos csillagról vagy egy távoli szupernóváról, ami száz fényévre van tőlünk, tehát ha most látjuk éppen felrobbani, akkor az valójában száz éve történt meg.

De ha már idő. Van, aki igen rosszul tippeli meg az emberek életkorát, de jellemzően nagyon ritkán tévedünk tízévnél többet. Ez a mi életünkben ugyan jelentősebb idő, az univerzum viszont közel tizennégymilliárd éves. De várjunk csak? Nagyjából ennyi a világegyetem sugara is! Az összefüggés pedig nyilván nem véletlen, hiszen a távolba nézni az univerzumban egyben időutazás is. De a kormeghatározásnak vannak földhözragattabb módjai is, mint például a régészetben, vagy műalkotások eredetiségének meghatározásánál.

A legbiztosabb kormeghatározási módszer az úgynevezett radiometrikus kormeghatározás, amikor a természetben előforduló radioaktív magok, illetve radioizotópok felezési idejének és jelenlegi gyakoriságának ismeretén alapszik. E módszer biztosítja például a legfontosabb információforrásunkat a Föld korának és az evolúció sebességének meghatározásában, viszont a pontosság, a költségek és az alkalmazott időskála alapján többféle radiometrikus kormeghatározási mód létezik. A legismertebb mind közül a szénizotópos kormeghatározás, ami természetben előforduló C14 izotópot használja a széntartalmú anyagok korának meghatározására, igaz, csak hatvan-, egyesek szerint ötvenezer évre visszamenően használható. Ráadásul korrigálni is kellett a hidegháborús atombomba-kísérletek miatt a mérési eredményeket, ezért a mély-történelemben ezer éves korrekciókra is volt szükség.

Ha már megvan a kora, jó azt is tudni miből van, legyen szó bármilyen anyagról itt a Földön, vagy akár a csillagok között. Ebben segít a spektroszkópia tudománya, a spektrumok készítésére, tanulmányozására és értelmezésére szolgáló módszerek, illetve tudományok összessége. Az eredetileg a látható fény tartományában használt módszerek idővel szinte az egész elektromágneses spektrumra kiterjedtek, sőt, más jellegű sugárzások és részecskék vizsgálati módszereit is a spektroszkópiai módszerek közé sorolják. A kifejezést egyébként Newton használta először annak a jelenségnek a megfigyelése kapcsán, hogy a napfény egy prizmán áthaladva színekre bomlik. És bizony minden anyagnak meg van színképe, melynek ismerete nagy segítség a csillagászoknak például abban, hogy meghatározzák egy távoli bolygó légkörének összetételét.

A színképelemzés vagy spektrumanalízis tehát maga az összetevőire bontott elektromágneses sugárzás, a színkép vizsgálata, és nem csak abban segíti a kutatókat, hogy meghatározzák egy anyag, bolygó vagy csillag összetételét, hanem nagyban segíti a kutatókat abban is, hogy egyáltalán tudjuk, a világegyetem tágul. És hogy honnan? Az úgynevezett vöröseltolódásból, azaz a távoli galaxisok színképe a vörös felé tolódik, ráadásul minél távolibb, annál jobban. Ez tehát nem csak azt jelenti, hogy a világegyetem tágul, de azt is, hogy minél messzebb tekintünk, annál gyorsabban. Felfoghatatlanul gyorsabban, mint ahogy egy mentőautó száguld a balesethez.

De amit közeledik és elhalad mellettünk, furcsa dologra lehetünk figyelmesek. Mintha nem ugyanaz a sziréna szólna, hiszen mikor közelít, egyre magasabban, miközben távolodik pedig egyre mélyebben szól a hangja. Ez az úgynevezett Doppler-effektus, ami azért jön létre, mert a felénk száguldó mentőautó szirénájának hanghullámai a sebesség miatt összetolódnak, majd elhaladva mellettünk megnyúlnak. Tudományosabban szólva a Doppler-jelenség a hullám frekvenciájában és ezzel együtt hullámhosszában megjelenő változás, mely amiatt alakul ki, hogy a hullámforrás és a megfigyelő egymáshoz képest mozog.