Rozdział 2
Terminator, czyli instrukcja obsługi zmierzchu
Teleskop AAT, umieszczony na szczycie pięćdziesięciometrowej kopuły, ma zwierciadło wklęsłe o średnicy 3,9 metra, które zbiera i skupia światło odległych obiektów, żeby następnie przekazać je do analizy najróżniejszym nowoczesnym instrumentom. Obejmuje swym zasięgiem zarówno pobliskie planetoidy w Układzie Słonecznym, jak i najdalsze wykrywalne ciała niebieskie: wybuchające gwiazdy znane jako supernowe i niespokojne młode galaktyki nazywane kwazarami. Stoi na szczycie Siding Spring, w górach Warrumbungle (jest to bardzo adekwatne określenie z języka gamilaraay, oznaczające "krzywe góry"). Siding Spring znajduje się czterysta pięćdziesiąt kilometrów na północ od Canberry i trzysta pięćdziesiąt kilometrów na północny zachód od Sydney. Dzięki oddaleniu od dużych miast nocne niebo jest tutaj wolne od zanieczyszczeń światłem, tak samo jak tysiące lat temu, kiedy pierwsi ludzie oglądali gwiazdy. Na horyzoncie widać jednak daleką poświatę Sydney, podobnie jak światła bliższych miejscowości Dubbo i Gilgandra.
Na początku lat siedemdziesiątych AAT był jednym z największych teleskopów na planecie. Teraz astronomowie mogą korzystać z kilkunastu teleskopów o lustrach dwa razy większych. Tak duże przyrządy to zwykle przedsięwzięcia, w których udział ma wiele państw, ale umieszcza się je tylko w kilku w miejscach: wysoko na szczytach górskich niedaleko zachodnich wybrzeży kontynentów, gdzie turbulencje atmosferyczne nie zakłócają obserwacji. Hawaje, Wyspy Kanaryjskie, południowo-zachodnie wybrzeże USA, północne Chile i południe Afryki to najczęstsze lokalizacje nowych obserwatoriów. Co wcale nie oznacza, że praca na Siding Spring jest zakończona; zobaczymy w rozdziale piętnastym, jak technologia w połączeniu z ciemnym niebem sprawiają, że nasze obserwatorium nadal należy do najnowocześniejszych.
Pracowałem w Siding Spring przez ponad dwadzieścia lat, używając teleskopu AAT i jego mniejszego brata, szerokokątnego optycznego teleskopu Schmidta. Poznałem górę Siding Spring we wszystkich odsłonach: od krystalicznych zachodów słońca, zapowiadających idealne warunki do nocnych obserwacji, po ponure zamglone poranki, kiedy wilgotność powietrza znacznie przewyższa punkt rosy.
W badaniach prowadzonych przez obserwatoria atmosfera ziemska odgrywa kluczową rolę. Temperatura, ciśnienie, wilgotność, przejrzystość powietrza, występowanie turbulencji i zanieczyszczenia świetlnego to chleb powszedni astronomów pracujących na powierzchni Ziemi. Zbieramy przecież informacje, które docierają do nas przez zmienną otulinę życiodajnego gazu.
W Siding Spring odkryłem, że jeśli chodzi o prostą przyjemność patrzenia w gwiazdy, atmosfera może być równie ciekawa, jak nieboskłon, zwłaszcza w magicznej chwili, gdy niebo zmienia się z dziennego w nocne i odwrotnie. Astronomowie wiedzą, że moment zmierzchu to nasze przejście przez ziemski terminator. Tego określenia używali od wieków, na długo zanim zostało zawłaszczone przez kino (w astronomii ma bardzo spokojny wydźwięk, zupełnie inaczej niż w filmach).
Czym więc jest terminator? Wyobraźcie sobie, że patrzycie na planetę (lub satelitę planety) z jakiegoś punktu w przestrzeni kosmicznej. Musicie sobie wyobrazić tę planetę oświetloną przez Słońce, tak jak wszystkie planety w naszym układzie. Terminator to po prostu linia oddzielająca część jasną od ciemnej.
Na ciałach pozbawionych atmosfery, na przykład na Merkurym albo naszym własnym księżycu terminator jest bardzo wyraźną granicą, ostro oddzielającą światło i cień. Ale na planetach takich jak Ziemia, okrytych atmosferą, jest linią nieostrą i rozmytą, wzdłuż której światło miesza się z ciemnością. Dzieje się tak dlatego, że cząsteczki atmosfery rozpraszają światło słoneczne poza geometryczną granicę cienia.
Wróćmy teraz do punktu obserwacyjnego na powierzchni Ziemi. Kiedy planeta obraca się wokół osi, przechodzimy przez terminator dwa razy na dobę: oglądamy stopniowe wygaszanie światła, gdy błękit (albo szarość) nieba zmienia się w nocną ciemność, a potem, kilka godzin później, widzimy zjawisko odwrotne. Odstępy między tymi dwoma wydarzeniami zależą od szerokości geograficznej i pory roku.
Rzadko zwracamy uwagę na moment zapadnięcia zmierzchu, gdy obroty kuli ziemskiej niosą nas przez terminator. Ale jeżeli wiemy, gdzie patrzeć, okaże się, że możemy w tym czasie zaobserwować wiele zjawisk atmosferycznych i astronomicznych. Oczywiście to samo dotyczy świtu, tylko w odwrotnej kolejności, więc poniższy opis odnosi się zarówno do poranka, jak i wieczoru. Ponieważ większość z nas częściej ogląda zmierzch niż świt, trzymajmy się kolejności wieczornej (zresztą to taka romantyczna pora).
Dobrym punktem wyjścia do zrozumienia zjawiska zmierzchu jest pytanie, dlaczego w ciągu dnia niebo jest jasne. Zastanawiali się nad nim wielcy myśliciele starożytności, a odpowiedzi udzielił dopiero angielski uczony John William Strutt, lord Rayleigh, w pracy opublikowanej w 1871 roku. Chodzi o rozpraszanie światła w atmosferze, o czym za chwilę dowiemy się więcej. Każdy, kto widział fotografie zrobione na Księżycu przez astronautów misji Apollo w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku, musiał zobaczyć, że choć zostały wykonane podczas księżycowego dnia, księżycowe niebo jest czarne. Bez atmosfery światło nad Księżycem pozostaje nierozproszone, więc promienie słoneczne nie oświetlają żadnego obiektu, dopóki nie dotrą do jego powierzchni. Chociaż nie - czasem, w odpowiednich warunkach, pod wpływem działania sił elektrostatycznych, nad powierzchnię Księżyca wznoszą się na tyle duże chmury pyłu, że prowadzący obserwacje z orbity astronauci mogli je zauważyć, zanim Słońce pojawiło się nad horyzontem. Ale tego pyłu jest oczywiście zbyt mało, by rozjaśniał księżycowe niebo.
Na Ziemi, gdyby nie chmury powstające w atmosferze, niebo zawsze byłoby niebieskie. Ten akurat kolor wynika ze sposobu, w jaki światło słoneczne oddziałuje z cząsteczkami powietrza i aerozolami (drobinami pyłu i kropelkami wody) - w kontakcie z nimi rozprasza się we wszystkich kierunkach, ale jego niebieska część ulega większemu rozproszeniu niż czerwona. Kiedy promienie słoneczne przechodzą przez atmosferę, zostają pozbawione niebieskiego światła (dlatego tarcza słoneczna wydaje nam się żółta), barwa ta pojawia się za to na niebie. W rzeczywistości pasmo fioletowe światła słonecznego ulega jeszcze silniejszemu rozpraszaniu niż niebieskie, ale jest w większym stopniu pochłaniane przez atmosferę - dlatego niebo widzimy jako błękitne, a nie psychodelicznie fioletowe.
Błękitu oczywiście nie widać podczas zachmurzenia, ale niebo pozostaje jasne. Chmury mają neutralny odcień pomiędzy lśniącą bielą a groźną szarością. Ich bezbarwność jest nieprzypadkowa: rozpraszają światło słoneczne, ale krople wody, które są znacznie większe niż cząsteczki powietrza i aerozoli, nie zachowują się zgodnie z prawami Rayleigha i nie dają pierwszeństwa błękitowi. Rozpraszają wszystkie kolory tęczy jednakowo i stąd pochodzi neutralne światło białe (lub, w bardziej pochmurne dni, szare).
Zjawiska zachodzące o zmierzchu, które chciałbym wam przedstawić, widać najlepiej, gdy macie odsłonięty horyzont we wszystkich kierunkach. Oddalcie się od budynków, drzew, wzniesień, gór, burz piaskowych, aktywnych wulkanów i tym podobnych atrakcji. Środek oceanu byłby w sam raz, o ile dacie radę się tam dostać - ale płaskie przestrzenie na lądzie, takie jak płaskowyż Karru na południu Afryki, azjatyckie stepy czy pustynie w Ameryce Północnej, także świetnie się sprawdzą, nie mówiąc już o australijskim interiorze. Zróbcie kiedyś wycieczkę na równiny Nowej Południowej Walii i koniecznie zajrzyjcie po drodze do obserwatorium Siding Spring. W każdym razie, gdziekolwiek się znajdziecie, wybierzcie wieczór po słonecznym dniu.
U schyłku dnia przeznaczcie mniej więcej godzinę na obserwowanie tego, co będzie się działo podczas przejścia przez ziemski terminator. Zaczyna się od zachodu Słońca. Kiedy zniży się ono nad horyzont, zauważycie wyraźne zażółcenie lub nawet zaczerwienienie nieba dookoła. Dzieje się tak dlatego, że promienie przebijają się teraz przez znacznie grubszą warstwę atmosfery niż w ciągu dnia, przez co niebieskiego światła jest w nich jeszcze mniej i dochodzi nawet do rozproszenia światła czerwonego.
Jeżeli w atmosferze jest sporo wilgoci albo pyłu, a chmury zasłonią tarczę słoneczną, często można zaobserwować rozchodzące się od niej promienie. Nazywa się je promieniami zmierzchowymi i są one, wbrew pozorom, równoległe. To perspektywa sprawia, że widzimy je jako rozłożone niczym wachlarz, w malowniczy sposób ulubiony przez artystów. Czasami słabe promienie zmierzchowe można zaobserwować już po zajściu słońca, gdy niebo jest całkowicie czyste. Wtedy również ich pojawienie się dowodzi obecności chmur zasłaniających tarczę słoneczną, są one jednak tak oddalone, że znajdują się już pod linią horyzontu i obserwator nie może ich widzieć.
Gdy Słońce jest wciąż nisko na niebie, odwróćcie się do niego plecami i popatrzcie na wschód. Czasami będziecie mogli zobaczyć więcej promieni zmierzchowych, zbiegających się w punkcie gdzieś poniżej wschodniego horyzontu dokładnie naprzeciwko tarczy słonecznej. Ten punkt nazywa się punktem przeciwsłonecznym, a zbiegające się do niego promienie to, jak łatwo się domyślić, promienie przeciwzmierzchowe. Najdziwniej wyglądają, gdy słońce już zaszło, ponieważ punkt, do którego się schodzą, znajduje się wtedy nad wschodnim horyzontem i sprawiają wrażenie, jakby spotykały się w pustce, zwłaszcza jeśli niebo jest bezchmurne. Takie zjawisko można zobaczyć całkiem często na górskich szczytach takich jak Siding Spring.
Raz w życiu widziałem promień zmierzchowy przecinający całe niebo, od horyzontu po horyzont, jak wielka złota tęcza. To był parny wieczór w Sydney, prawdopodobnie z wysoką zawartością aerozoli w atmosferze. Niesamowity widok.
Jeżeli nic nie przysłania wam zachodniego horyzontu, a na niebie nie ma chmur, warto wypatrywać tak zwanego zielonego błysku. Znajomi astronomów sarkają, że to legendy i duby smalone, ale zielony błysk jest najprawdziwszym zjawiskiem fizycznym, które można nawet sfotografować. Powstaje wtedy, gdy światło słoneczne zostaje rozszczepione, ponieważ atmosfera zachowuje się jak pryzmat. Przez większość czasu tego nie dostrzegamy, ale podczas zachodu Słońca widzimy zmniejszającą się tarczę słoneczną, która chowa się za horyzont; od momentu jej zetknięcia z linią horyzontu do całkowitego zniknięcia na australijskich szerokościach geograficznych mija około dwóch minut. Na sam koniec zostaje cienki gorejący paseczek. Wtedy czasami, gdy atmosfera jest idealnie spokojna, na sekundę lub dwie przed samym zgaśnięciem zmienia on kolor na jasnozielony.
Dlaczego? Atmosfera rozszczepia światło zachodzącego Słońca niczym pryzmat, a czerwone oraz żółte pasma są już poniżej linii horyzontu. Wraz z ostatnim skrawkiem tarczy słonecznej pozostaje tylko światło niebieskie i zielone. Nasze oczy są bardziej wrażliwe na zieleń, więc widzimy zielony kolor wyraźniej. Taki błysk trwa tylko przez chwilę, ale kiedy już się pojawi, nie można go z niczym pomylić.
Problem z obserwowaniem zielonego błysku jest taki, że ciągle zerkamy w stronę Słońca, żeby sprawdzić, kiedy zajdzie, i nasze oczy zwykle są oślepione. Choćbyśmy nie wiem jak starali się nie patrzeć, jaśniejąca tarcza przyciąga wzrok niczym magnes. Dlatego właśnie najlepiej obserwować zielony błysk o wschodzie, kiedy Słońce dopiero podnosi się nad horyzont. Oczywiście trzeba wiedzieć, gdzie skierować spojrzenie, ale nietrudno zlokalizować odpowiednie miejsce przy rozjaśniającym się niebie. Najładniejsze zielone błyski zawsze udawało mi się obserwować o świcie.
Wieczorem, niezależnie od tego, czy błysk się pokazał czy nie, gdy Słońce już schowa się za horyzontem, odwróćcie się znowu ku wschodowi, żeby zobaczyć jedno z najbardziej poetyckich zjawisk zmierzchu. Jest tak częste, że na ogół się go nie zauważa, ale kiedy zdamy sobie sprawę, na co patrzymy, trudno je zapomnieć. W bezchmurny dzień po zajściu Słońca wzdłuż wschodniego horyzontu widać szaroniebieski pas z pasmem różowego fioletu na górze. Wraz z opadaniem Słońca szarobłękitny pas poszerza się i zmienia w niewysoki łuk, którego środek znajduje się dokładnie naprzeciwko miejsca, gdzie zniknęło Słońce. Jednocześnie różowa smuga staje się wyraźniej widoczna, oddzielając szarość od reszty błękitnego nieba, czasem z niezwykłą intensywnością.
Patrzycie właśnie na cień Ziemi rzucany na atmosferę, wznoszący się majestatycznie w miarę opadania Słońca. Zaraz po zachodzie znajdujecie się wewnątrz tego cienia i wraz z obrotem Ziemi oddalacie się w kierunku wschodnim - na australijskich szerokościach geograficznych z prędkością około tysiąca pięciuset kilometrów na godzinę. Dlatego cień wkrótce się rozmywa, szaroniebieski łuk i ciemniejące niebo zlewają się ze sobą, a różowa smuga znika.
O zachodzie słońca odbite światło z przewagą pasma czerwonego miesza się z błękitem nieba i tworzy różowofioletowy pas Wenus tuż nad cieniem Ziemi. Wraz z obrotem planety obserwator pogrąża się w tym cieniu, a pas Wenus wkrótce przestaje być widoczny. Ziemia na ilustracji widziana jest z północy.
Rys. autora
Błękitnoszary łuk nazywa się po prostu cieniem Ziemi, za to różowa zorza ponad nim nosi nazwę pasa lub wstęgi Wenus, w nawiązaniu do magicznej przepaski noszonej przez grecką boginię Afrodytę, której rzymską odpowiedniczką była Wenus. Różowofioletowa barwa pochodzi stąd, że atmosfera rozprasza bogate w czerwień światło zachodzącego Słońca prosto w stronę obserwatora, a ono miesza się z błękitem ciągle jeszcze oświetlonego nieba tuż nad cieniem rzucanym przez Ziemię. To bardzo piękne i częste zjawisko, ale większość ludzi nie zwraca na nie uwagi.
Kiedy niebo ciemnieje, Wszechświat zaczyna ukazywać się w całej krasie. Naturalnie planety, gwiazdy i galaktyki są przez cały czas, ale zasłania je nasz codzienny błękit. Niektóre ciała niebieskie są jaśniejsze niż niebo, więc widać je także za dnia - jednym z nich jest oczywiście Księżyc, a drugim, w pewnych okolicznościach, planeta Wenus. Czasami można obserwować Wenus jako małą plamkę światła, gdy Słońce jeszcze nie zaszło - dzieje się tak, kiedy Wenus osiąga szczytową jasność. Trwa to przez parę dni raz na kilka miesięcy. Wszystko zależy od skomplikowanego tańca naszej siostrzanej planety względem Ziemi, terminarz można sprawdzić w internecie (wystarczy wpisać w wyszukiwarkę: "Wenus szczytowa jasność"). Musicie jednak uważać, bo w okresie swej zwiększonej jasności Wenus znajduje się na niebie dość blisko tarczy słonecznej i lepiej nie używać do obserwacji lornetki ani teleskopu, żeby przypadkiem nie spojrzeć bezpośrednio w Słońce. To mogłoby się bardzo źle skończyć.
Wróćmy jednak do zmierzchu. Słońce zapada coraz niżej za horyzont i jaśniejsze gwiazdy i planety stają się coraz wyraźniej widoczne. Może was zaciekawi, że astronomowie wyodrębniają trzy etapy zmierzchu, w zależności od ilości światła rozproszonego w atmosferze. Zmierzch cywilny trwa do chwili, gdy Słońce znajdzie się sześć stopni poniżej horyzontu; niebo wtedy jest jeszcze całkiem jasne. Potem następuje zmierzch żeglarski lub morski, gdy Słońce opada o kolejnych sześć stopni. Następny jest zmierzch astronomiczny, kiedy Słońce opada do osiemnastu stopni poniżej horyzontu. Ten podział pochodzi z drugiej połowy XIX wieku i chociaż może wydawać się nieco abstrakcyjny, jego zadaniem było wyznaczenie momentu, w którym na niebie nie ma już żadnego rozproszonego światła. Po astronomicznym zmierzchu nastaje "oficjalna" ciemność.
Dalszy rozwój wydarzeń zależy od fazy Księżyca i od tego, czy przeprowadzacie obserwacje w miejscu wysokiego zanieczyszczenia światłem (jak wszystkie miasta). Księżyc w pełni rozświetla niebo zadziwiająco intensywnie; zwykle pozwala nam znaleźć drogę bez sztucznego oświetlenia. Jeżeli jednak jest tylko cienkim sierpem albo w ogóle go nie widać, zwłaszcza z dala od miejskich świateł, możecie zobaczyć przecinającą niebo wstęgę Drogi Mlecznej. To widok na dysk naszej galaktyki, w której Słońce jest tylko jedną z około czterystu miliardów gwiazd.
Jest jeszcze inne zjawisko, które wymaga czystego, bezksiężycowego nieba wolnego od świetlnych zanieczyszczeń - ale gdy już je widać, nie da się go pomylić z żadnym innym. To blada kolumna światła wznosząca się ukośnie nad zachodnim horyzontem przez mniej więcej pół godziny po zakończeniu astronomicznego zmierzchu. Jest to tak zwane światło zodiakalne, a jego oś przebiega wzdłuż ekliptyki (drogi, po której dla ziemskiego obserwatora Słońce i planety poruszają się po niebie). Wypatrujcie go po zapadnięciu ciemności wiosną, bo wtedy wznosi się bardziej pionowo niż o innych porach roku. Nie pomylcie go jednak z Drogą Mleczną, którą można zauważyć nieco dalej na południe.
Wiele czasu zajęło naukowcom zrozumienie tego zjawiska. Na początku XX wieku jeden z moich naukowych mistrzów, norweski fizyk Kristian Birkeland, poszedł kompletnie niewłaściwym tropem, wyobrażając sobie, że światło zodiakalne bierze się z elektromagnetycznego oddziaływania pomiędzy ziemską atmosferą a subatomowymi cząstkami pochodzącymi ze Słońca. Tak właśnie wyjaśnił pod koniec XIX wieku genezę zorzy polarnej, ale w przypadku światła zodiakalnego intuicja go zawiodła. Wyprawa do Egiptu w celu poczynienia dokładnych obserwacji została przerwana przez wybuch pierwszej wojny światowej i Birkeland wyruszył z powrotem do rodzinnego Oslo. Żeby ominąć obszary działań wojennych oraz Wielką Brytanię (angielscy naukowcy nie poważali jego prac dotyczących zorzy), postanowił jechać z Kairu przez Tokio, a więc raczej okrężną drogą. Niestety, właśnie w Tokio 15 czerwca 1917 roku zmarł z powodu przedawkowania leku nasennego.
Niedługo potem odkryto, że źródło światła zodiakalnego jest bardziej prozaiczne niż oddziaływania elektromagnetyczne. Zjawisko to, podobnie jak błękit nieba, polega na rozproszeniu światła, tyle że tym razem światło słoneczne nie jest rozpraszane w atmosferze, ale odbija się od cząstek pyłu międzyplanetarnego znajdujących się w płaszczyźnie orbity Ziemi. Są one na tyle duże, że nie słuchają praw Raleigha faworyzujących kolor niebieski, więc, podobnie jak chmury, światło zodiakalne nie ma barwy.
Jest jeszcze jedna sprawa dotycząca światła zodiakalnego, o której trzeba powiedzieć. Ta historia sięga do początków lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku, gdy pewien młody student astronomii w Anglii rozpoczął pracę nad doktoratem w Imperial College w Londynie. Miał poświęcić rok na badanie widma światła zodiakalnego w położonym wysoko nad poziomem morza Observatorio del Teide na Teneryfie. Był pełen zapału, ale niespodziewanie jego kariera rozwinęła się w kierunku muzycznym - i poradził sobie całkiem nieźle. Podjął porzucone badania astronomiczne trzydzieści lat później i w sierpniu 2007 roku obronił zasłużony doktorat. Wyróżnił się w astronomii, tak jak wcześniej w muzyce - był to bowiem niejaki Brian May, gitarzysta zespołu Queen. Trzeba przyznać, że gwiazda rocka to świetna reklama dla nauk o Wszechświecie!
Ciekawe, że naukowcy nieszczególnie interesują się światłem zodiakalnym. Badania Briana Maya, porzucone na ponad trzydzieści lat, prawie się nie zdezaktualizowały. Ale miał dobre wyczucie, bo ostatnio słaby dysk pyłowy w Układzie Słonecznym cieszy się coraz większymi względami astronomów. Uznaje się, że są to pozostałości po obłoku gazowo-pyłowym, z którego powstały planety, i że można się z niego wiele dowiedzieć - zapewne znacznie więcej, niż kiedyś przypuszczał muzykalny młody astronom, stawiający pierwsze kroki w nauce.
