Projekt okładki: Ireneusz Gawliński

Ilustracja na okładce: Yinhao

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Joanna Forysiak

Produkcja: Mariola Grzywacka

Recenzent: Prof. dr hab. Stanisław Schillak, prof. CBK PAN,

Kierownik Astrogeodynamicznego Obserwatorium w Borowcu

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN

Aneta Pudzisz/Woblink

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

ISBN 978-83-01-20881-3

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020 r., (Wydanie I)

Warszawa 2020

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Spis treści

Przedmowa

1. Wprowadzenie, czas i miejsce akcji, skala Wszechświata i nasze w nim miejsce

2. Podstawa wiedzy o drobnych składnikach dzisiejszego Układu Słonecznego

2.1. Międzyplanetarny pył kosmiczny

2.2. Mikrometeoryty

2.3. Meteory i meteoroidy

3. Notatki o spadku meteorytów i katastrofach je wywołujących

3.1. Przypadki spadku meteorytów

3.2. Przypadki znalezienia meteorytów

3.3. Meteoryty na ziemiach polskich

4. Fizyka zjawisk meteorytowych

5. Kratery meteorytowe, kosmiczne blizny na Ziemi i planetach

5.1. Kratery meteorytowe na Ziemi

5.2. Przykład powstania i rozwoju krateru meteorytowego – astroblema Acraman… w Australii Południowej

5.3. Impaktyty

6. Meteoryty – podstawowe metody badawcze i klasyfikacja meteorytów

6.1. Podstawowe metody badawcze

6.1.1. Metoda mikroskopu petrologicznego

6.1.2. Metoda mikrosondy elektronowej

6.1.3. Metoda badań izotopowych tlenu

6.2. Meteoryty kamienne

6.2.1. Chondry, ich skład i budowa

6.2.2. Chondryty – podział na typy chemiczne i petrologiczne oraz klasyfikacja

6.2.3. Metachondryty

6.2.4. Achondryty – meteoryty zdyferencjonowane

6.2.5. Achondryty planetarne

6.3. Meteoryty żelazno-kamienne

6.3.1. Mezosyderyty

6.3.2. Pallasyty

6.4. Meteoryty żelazne

6.4.1. Grupa strukturalna heksaedrytów

6.4.2. Grupa strukturalna oktaedrytów

6.4.3. Współczesna klasyfikacja meteorytów żelaznych w oparciu o zawartość galu, germanu i irydu w niklu

7. Poradnik łowcy meteorytów

Literatura

Słowniczek

Załączniki

1A. Minerały występujące w meteorytach marsjańskich

1B. Minerały wtórne powstające w meteorytach na skutek procesów metamorfi zmu uderzeniowego

1C. Minerały wtórne powstające w meteorytach na skutek wietrzenia w warunkach środowiska ziemskiego

2. Podział systematyczny meteorytów kamiennych (według Maneckiego, ze zmianami autora)

3. Schemat systematyki impaktytów

4. Klasyfikacja chondrytów w oparciu o charakterystyczne cechy petrologiczne

5. Wybrane cechy diagnostyczne dla podziału chondrytów zwyczajnych na typy petrologiczne

Przedmowa

Meteory, zjawiska świetlne obserwowane na nocnym nieboskłonie, znane były człowiekowi od zarania dziejów. W odróżnieniu od znanych astronomom już z antycznych czasów stałych bądź ruchomych ciał niebieskich stanowiły nie lada wyzwanie. Powszechnie uważano je za jedne z niezliczonego mrowia gwiazd, które z nieznanych przyczyn oderwały się od sklepienia niebieskiego i spadły. Pierwszym naukowcem, który poprawnie ocenił to niecodzienne zjawisko, był niemiecki fizyk z końca XVIII wieku Ernst Chladni. W książce wydanej w 1794 roku napisał, że ogniste, szybko poruszające się i wkrótce gasnące obiekty świetliste, które można obserwować na niebie, są niczym innym jak spadającymi fragmentami naturalnych ciał kosmicznych pochodzących z „rozbitych planet”. Ich świecenie na nocnym firmamencie objaśniał tym, że lecąc przez atmosferę, skutkiem tarcia, nagrzewają się, topią, a przez to świecą. Jego poglądy zawarte w dziele o bardzo długim tytule Obserwacja kawałka żelaza, które znalazł na Syberii profesor Pallas, i obserwacja innych podobnych mas wraz z niektórymi przypuszczeniami dotyczącymi związku tych mas z pewnymi zjawiskami przyrody nieprędko zyskały powszechne uznanie. Wręcz przeciwnie, autor uznany został przez religijne gremia za heretyka, a część naukowców tamtych czasów, w tym Alexander Humbolt, nie akceptowała jego poglądów.

Meteoryty, owe dziwne kamienie czy bryły żelazne spadłe z nieba, były i do dziś w wielu kulturach są traktowane jako obiekty sakralne, czasem magiczne. Znajdowały poczesne miejsce w świątyniach, a zdarzało się, że ich roztarte fragmenty spożywane były jako cudowne panaceum na przeróżne choroby. Już w dawnym Egipcie jedynym znanym żelazem było to pochodzące z żelaznych meteorytów. Znane były tam (jak i w innych starych kulturach) noże żelazne wykonane z żelaza meteorytowego. Dzisiaj meteoryty znajdują miejsce w pracowniach naukowych, muzeach przyrodniczych i w prywatnych kolekcjach. Są również bardzo poszukiwane przez kolekcjonerów, a na wolnym rynku ich ceny nie odbiegają wiele od cen złota.

Bardziej światłe jednostki wysuwały śmiałe poglądy o pozaziemskim pochodzenia ciał spadłych z przestworzy – filozof Anaksagoras twierdził tak już w 500 r. p.n.e. – nie były jednak w stanie zmienić geocentrycznego poglądu większości uczonych. O ile stara Europa w końcu pogodziła się z faktem kosmicznej genezy meteorytów, o tyle Ameryka długo opierała się tym nowym i rewolucyjnym poglądom. W 1808 roku spadł w stanie Massachusetts meteoryt, co zostało opisane przez dwóch znanych profesorów Uniwersytetu Yale (Sillimana i Kingsleya). Zdarzenie to inspirowało wybitnego pisarza Juliusza Verne’a, który napisał powieść s.f. Łowcy meteorów, a to wzbudziło zainteresowanie tematem szerszych mas społeczeństwa, zwłaszcza że meteoroid opisany przez Verne’a zbudowany był ze szczerego złota. Ówczesny prezydent Stanów Zjednoczonych Thomas Jefferson pozostał jednak nieprzekonany, twierdząc: „Łatwiej można uwierzyć w to, że amerykański profesor kłamie, niż w to, że kamienie spadają z nieba”. Niestety politycy do dziś niechętnie odnoszą się do osądów gremiów naukowych. Jak bardzo jednak stanowisko nauki zmieniło się w ciągu ostatniego stulecia, przedstawiono na łamach niniejszej książki.

Obecnie meteoryty stanowią cenny materiał naukowy do badań nad ciałami kosmicznymi, a ich własności są ważną informacją składającą się na obraz wiedzy o naszym systemie planetarnym i jego genezie. Materiał ten darmo spada nam z przestworzy, więc jedynie, co nam pozostaje, to skrzętnie go kolekcjonować i prowadzić badania. Nawet jeśli meteoryt spłonie w powietrzu, jego widmo zarejestrowane przez przyrządy elektroniczne pozwala na ocenę jego składu i własności fizycznych. Olbrzymi postęp w jakości badań wraz z nastaniem ery cyfrowej spowodował wprost lawinę danych, co owocuje coraz to nowymi odkryciami, a przy tym kompletnie zmienia paradygmat nauki w wielu dziedzinach, w tym spojrzenie na powstanie Wszechświata i jego drobniutkiej cząstki składowej, jaką stanowi nasz system planetarny. Te i inne wiadomości znaleźć można w niniejszej książce.

Materia meteorytów jest bardzo stara, starsza niż najstarsze ze skał dostępnych do badań na powierzchni Ziemi. Jest też starsza od najstarszych skał z powierzchni Księżyca. Stanowi najbardziej prymitywny materiał, z którego powstały planety Układu Słonecznego. Dlatego dzięki badaniu meteorytów otrzymaliśmy dokładną datę narodzin Układu Słonecznego, co jest niezmiernie ważnym odkryciem, które nie mogłoby być dokonane przez żadną inną gałąź nauki. Badając poszczególne elementy składowe chondrytów, ustalono, że to właśnie zawarte w tych meteorytach ziarenka CAI i chondry stanowią najstarszy materiał utworzony w powstającym Układzie Słonecznym, a ich wiek wskazuje początek dziejów naszego systemu planetarnego – rok zero (0) Układu Słonecznego. Jak wynika z precyzyjnego ustalenia wieku tych ziarenek, prowadzonego metodami radiogenicznymi, rok zero Układu Słonecznego wypadł 4,5673 miliardy lat temu. Dzięki specyficznemu składowi innego typu meteorytów, angrytów, udało się precyzyjnie ustalić, kiedy formowały się pierwsze w Układzie Słonecznym skały magmowe. Było to 4,5578 miliardy lat temu. Oznacza to, że już po niespełna 9,5 milionach lat od powstania w Układzie Słonecznym chondr oraz ziarenek CAI, które stanowią początek dziejów naszego systemu planetarnego, utworzyły się na tyle duże ciała kosmiczne, by w ich wnętrzu, na skutek rozgrzania w wyniku rozpadu pierwiastków radioaktywnych, ukształtowały się pierwsze skały magmowe. Oznacza to, że w okresie zaledwie 10 milionów lat od momentu powstania pierwszych ziarenek CAI w naszym układzie planetarnym założone zostały trwałe fundamenty pod budowę wszystkiego, co znamy, a budowa ta nie zakończyła się do dziś.

Obiekty spadające z kosmosu, stanowiące źródło zjawiska meteorów oraz wypadania meteorytów, mogą być wielkim zagrożeniem dla ludzi, cywilizacji, a nawet życia na Ziemi. Wielkie katastrofy kosmiczne już wielokrotnie w historii geologicznej naszej planety powodowały wymieranie większości gatunków. Życie jednak nawet po tak straszliwych katastrofach potrafiło się odradzać, a nowo powstałym gatunkom dawać szansę rozkwitu i rozprzestrzeniania się po całym globie. Katastrofy kosmiczne mogą też stanowić swojego rodzaju wymianę materiału skalnego pomiędzy sąsiadującymi planetami. Jest to swoiste poparcie hipotezy „panspermii”, czyli rozprzestrzeniania się żywych mikroorganizmów w przestrzeni naszego układu planetarnego, a może i dalej.

Obecnie mamy już wyspecjalizowane instytucje badające ruch drobnych ciał kosmicznych mogących grozić zderzeniami i katastrofami kosmicznymi. Rozwinięty jest system wczesnego ostrzegania przed nadlatującymi z przestrzeni „nieproszonymi gośćmi”. W 2015 roku kongres Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej uchwalił akt prawny, zwany Space Act, stanowiący ramy prawne komercyjnej eksploatacji bogactw mineralnych w kosmosie, w tym planetoid. Jak bowiem wykazały badania meteorytów, materiał skalny planetoid jest wzbogacony w wiele pierwiastków ziem rzadkich, platynowców, złota, a nawet diamentów. Akt ten prawdopodobnie w stosunkowo krótkim czasie pobudzi komercyjne zainteresowanie eksploatacją zasobów surowcowych planetoid, co spowoduje ich wyczerpanie w dużo szybszym czasie, niż wynika to z prawdopodobieństwa zaistnienia katastrofy kosmicznej o globalnym znaczeniu.

Książka jest przeznaczona dla szerokiego kręgu zainteresowanych kosmosem i jego współoddziaływaniem z naturalnym środowiskiem naszej planety. Wiadomości podane zostały prosto i możliwie ciekawie, adresowane są do czytelnika nawet słabo zorientowanego w astronomii. Publikacja może również stanowić pomoc dla intencjonalnych i przypadkowych łowców meteorytów czy turystów zaintrygowanych niecodziennym kamieniem znalezionym na trasie wycieczki. Niektóre trudniejsze fragmenty dotyczące badania materii meteorytów i ich klasyfikacji mogą być pomocne uczniom szkół średnich i studentom studiów wyższych o profilu przyrodniczym oraz filozoficznym, jak również pracownikom naukowym, wprowadzając ich w zawiłości badań związanych z klasyfikacją meteorytów.

Książka zawiera również glosariusz wyjaśniający niezbędne terminy naukowe, schemat klasyfikacji meteorytów i impaktytów, jak również wykaz najczęściej spotykanych w meteorytach minerałów. Poradnik dla kolekcjonerów meteorytów może być przydatny w pracach polowych oraz do szybkiej diagnostyki znalezionych fragmentów skalnych i oceny ich meteorytowego pochodzenia.

Rozdział 1

Wprowadzenie, czas i miejsce akcji, skala Wszechświata i nasze w nim miejsce

Każdy zna to uczucie, kiedy w pogodną sierpniową noc spogląda w gwiazdy. Rozpoznaje znajome gwiazdozbiory: Wielki Wóz i Oriona, odszuka Gwiazdę Polarną, a może, zapuszczając się w dalekie kraje, zapatrzy w Krzyż Południa. Wydawać by się mogło, że nic nie jest w stanie zakłócić tej statycznej scenerii, gdy nagle świetlista iskra rozbłyska pośród gwiazd niczym brylant muśnięty promieniem słonecznym, kreśli promienisty ślad i bezgłośne znika. To meteor. Wszystko trwa w mgnieniu oka – szczęśliwcy, którzy zdążyli pomyśleć życzenie. Mają nadzieję, że będzie spełnione, a oto, jakby na potwierdzenie, rozbłyska następna iskra niebieska, a po niej jeszcze jedna. Czujemy zadowolenie po obejrzeniu tego spektaklu, wyczuwamy harmonię przyrody i romantyzm chwili, w której Wszechświat wydaje się przyjazny, majestatyczny, bliski. Rzadko kto zdaje sobie sprawę z tego, że rzeczywistość nas otaczająca jest wyjątkowym, nienormalnym stanem przyrody na tej ogromnej, nieogarnionej wprost skali – scenie Wszechświata.

Czym jest zatem Wszechświat, a w nim ta spadająca gwiazda? Czy można ją znaleźć, dotknąć, zachować jako magiczny talizman będący gwarantem spełnienia pomyślanych życzeń? By odpowiedzieć na to pytanie, trzeba poznać i zrozumieć skalę i własności naturalnego środowiska przestrzeni kosmicznej, będącej sceną odwiecznie dziejącego się spektaklu.

Prymitywna materia gazowo-pyłowego obłoku międzygwiezdnego Galaktyki, która koło pięć miliardów lat temu zaczęła się zapadać, by tworzyć protogwiazdy i gwiazdy w rejonie przyszłego Układu Słonecznego, stała się najbardziej pierwotnym budulcem wszystkich ciał kosmicznych układu, pozostających do dnia dzisiejszego w ścisłym ze sobą związku. Związki te tworzą wielowarstwowy system powiązań i zależności. Wydaje się, jakby powstały celowo, spełniają bowiem ważną rolę, często decydującą o postępie rafinacji prymitywnej masy prostych składników, trwających w ciągłym cyklu przetwarzania materii, by wytworzyć składniki, które złożyły się na budowę świata, w którym żyjemy. Ten nasz świat, błękitna planeta Ziemia, pełna mórz, lasów, gór, strumieni, stała się siedliskiem wielu stworzeń, z których, jak dowodzi budowa kodu DNA, i my wzięliśmy swój początek.

Owa breja pierwotna, powstała z akumulacji obłoków pyłowo-gazowych nagromadzonych w pasie płaszczyzny Galaktyki, w połączeniu z wodą, lodem i rozmaitymi mniej lub bardziej aromatycznymi węglowodorami, utworzyła prymitywną skałę. Ta, podlegając czynnikom czasu, procesów naturalnych i czystemu przypadkowi, utworzyła planety, rzeki, jeziora, wreszcie intelekt, technologię, sztukę, poezję. Prymitywna skała, fundament, z którego po miliardach lat ewolucji powstaliśmy my i wszystko, co nas otacza, istnieje do dziś w bardziej lub mniej przetworzonej formie – możemy ją spotkać najczęściej w gablotach muzealnych, pracowniach naukowych instytucji, a czasem po prostu w przydrożnym rowie. Tą skałą, opoką wszystkiego, co znamy, oraz otwartą księgą zapisu historii dziejów naszego świata są meteoryty.

Nasza wiedza o świecie wyrosła z umysłów ludzi i jest wynikiem doświadczeń łańcucha ewolucyjnego istot, które żyły przed nami, budując podstawę naszej egzystencji oraz rozwoju, kultury, nauki i sztuki.

Ludzie w ciągu tysiącleci poznawali podstawowe prawa i wzajemne relacje przyczynowo-skutkowe w najbliższym otoczeniu. Wiele czasu upłynęło, zanim człowiek zrozumiał, że jest zaledwie drobną częścią tego olbrzymiego połączonego wewnętrznie systemu, iż jest „dzieckiem Wszechświata”. Zaczął wtedy poznawać bardziej uniwersalne prawa, ogarniające większy zbiór ciał kosmicznych dostępnych do prowadzenia badań.

Wiedza o ogólnych prawach Wszechświata przypomina obserwację pod lupą jakiegoś wielkiego organizmu dla wydania osądu o wyglądzie i funkcjonowaniu całości na podstawie studiów jego małych fragmentów. Już pod koniec epoki romantyzmu zaczęto zdawać sobie sprawę, że nasza wyobraźnia jest znacznie ograniczona w odniesieniu do rzeczywistości. Pomyślano zatem, że należy wydawać sądy na podstawie kompleksowej analizy drobiazgowo zbieranych informacji cząstkowych.

Zacznijmy więc systematyzować fakty obserwacyjne, od samego początku. To dobrze postawione zadanie od razu prowadzi do niepewności, gdzie ten początek umieścić. Żyjemy przecież w obszarze czasoprzestrzeni, w której nie może być uprzywilejowanego punktu środka, gdzie zatem i kiedy można znaleźć iluzoryczny początek wszystkiego?

Od momentu, kiedy na początku siedemnastego wieku Galileusz wynalazł zastosowanie teleskopu do obserwacji astronomicznych, starano się określić szablon, w jakim we Wszechświecie współwystępują znane ciała niebieskie. Początkowo zbierane były dane dotyczące rozmieszczenia obiektów położonych stosunkowo blisko Układu Słonecznego. Uświadomienie faktu, że jesteśmy częścią olbrzymiego skupiska gwiazd zwanego Galaktyką, stanowiło przełom w pojmowaniu Wszechświata jako hierarchicznie skonstruowanego zbioru obiektów o wprost niewyobrażalnie wielkich rozmiarach. Okazało się, że Galaktyka, będąca zbiorem około dwustu miliardów gwiazd i dziesięciokrotnie większej liczby planet, która jeszcze na początku XX wieku uważana była za cały Wszechświat, jest jedynie niezmiernie małym jego składnikiem.

Obecnie uważa się, że rozmiar promienia Wszechświata podyktowany jest jego wiekiem, który wynosi 13,8 miliardów lat (Gyr) i jest to wiek 0, początek naszego Wszechświata. Taki też jest promień Wszechświata, który wynosi 13,8 miliardów lat świetlnych (Glyr). Dla przypomnienia: jeden rok świetlny jest to odległość, którą światło przemierzające próżnię z prędkością 300 000 km/s pokonuje w okresie roku. Od najbliższej nam gwiazdy, α-Centauri, podróżować musi około 4 lat. Tak by to mogło wyglądać, gdyby Wszechświat od chwili powstania do dziś był stabilny. Jednak już w 1929 roku Edvin Hubble ukazał, że Wszechświat nie jest stabilny, ale wydaje się rozszerzać, a im obiekty kosmiczne są dalej od nas położone, tym prędzej wydają się od nas oddalać. Obliczono, że prędkość rozszerzania się Wszechświata wzrasta o 71 km/s/Mpc, czyli o 71 km/s na każdy milion parseków (1pc ~3 lata świetlne). Idea oparta na badaniu przesunięcia ku czerwieni widm odległych galaktyk, interpretowana w oparciu o zjawisko Dopplera, nie została jeszcze potwierdzona niezależnymi metodami, takimi na przykład jak badania różnic odległości po czasie obserwowalnych gwiazd zmiennych, Cefeid.

Po uwzględnieniu efektu rozszerzania się przestrzeni obecny rozmiar Wszechświata, promienia tak zwanego horyzontu cząstek, to znaczy odległości, skąd dochodzą do nas promienie wysłane przez obiekty, które wysłały te światło zaraz po narodzinach Wszechświata, okazał się dziś znacznie większy i wynosi około 46 miliardów lat świetlnych (Glyr). Odległość tę również nazywa się promieniem horyzontu zdarzeń obserwowalnego Wszechświata. Dzieje się to dlatego, że w wyniku wzrostu prędkości rozszerzania się przestrzeni w funkcji odległości obiekty odległe od nas o włos dalej, niż wynosi promień horyzontu zdarzeń Wszechświata, po prostu wypadną z naszego Wszechświata i staną się dla nas niewidoczne. Światło wysłane przez te obiekty nigdy do nas nie dotrze, co znaczy, że przestaną dla nas istnieć, tak jak odległe lądy poza kręgiem ziemskiego horyzontu. Pozostaje zatem otwarte pytanie, co znajduje się poza tym horyzontem widzialnego Wszechświata. Może tam się rozciągać przestrzeń przepełniona światami podobnymi do tych, jakie widzimy dookoła, może też być pusta próżnia wypełniona oceanem pól kwantowych, by na wierzchołkach niektórych z bardziej energetycznych fal owego oceanu powstać mogły wszechświaty podobne do naszego lub od niego odmienne. To pytanie pewnie na długo, jeśli nie na zawsze, pozostanie otwarte dla spekulacji filozofów, poetów i myślicieli. Zajmijmy się jednak obiektami widocznymi wewnątrz horyzontu zdarzeń obserwowalnego Wszechświata.

Jak wcześniej powiedziano, już dawno rozpoczęto budowę szablonu, czyli mapy Wszechświata. Prawdziwy przełom nastąpił jednak dopiero na początku XXI wieku, kiedy w 2005 roku, dzięki drobiazgowym studiom cyfrowego skanowania części firmamentu oraz badaniu widm miliona galaktyk, opublikowano przestrzenną mapę Wszechświata. Ponieważ jednak im dalej patrzymy w przestrzeń, tym starsze widzimy obiekty, mapa ta jest raczej czasoprzestrzennym, a nie tylko przestrzennym odwzorowaniem Wszechświata. Plasterek przekroju tej mapy przedstawiony jest na ryc. 1.1. W środku znajduje się nasz punkt obserwacyjny, a im dalej od środka spoglądamy, tym bardziej zagłębiamy się w przeszłość Wszechświata.

Utworzona w ten sposób mapa Wszechświata ukazała dziwny, nieznany dotąd obraz, w którym galaktyki i grupy galaktyk, połączone w swego rodzaju włókna i łańcuchy, trochę na podobieństwo sieci pajęczych, tworzą wielkie trójwymiarowe struktury komórkowe. Między tymi włóknami i łańcuchami budującymi ściany struktury komórkopodobnej występują olbrzymie pustki o rozmiarach kilkudziesięciu do kilkuset milionów lat świetlnych, niemal pozbawione ciał kosmicznych. Galaktyki budujące obserwowane struktury przestrzenne wydają się być powiązane ze sobą niewidzialnymi siłami. Wyłaniający się wielkoskalowy obraz po raz pierwszy ukazuje materię, którą znamy z obserwacji gwiazd i galaktyk, jako zespolony niewidocznymi siłami, jednolity, wysokoporowaty twór kosmiczny. Fragment tej wysoce porowatej struktury ukazany na mapie przez jej autorów nazwany został great wall; zbudowany jest z 830 galaktyk nanizanych jak koraliki na niewidoczne włókna. Ten i podobne mu pióropusze supergromad galaktyk można oglądać przez teleskop. Cały zbiór przestrzenny galaktyk, połączony za pomocą mostów zbudowanych z gorących, zjonizowanych gazów rozciągniętych między galaktykami, składa się na coś, co przy odrobinie wyobraźni może być komórkopodobną strukturą plastra miodu.

Ryc. 1.1. | Ewolucja wielkiej struktury Wszechświata od stosunkowo równomiernie rozmieszczonych galaktyk do około 2,74 miliardów lat temu (Gyr), do utworzenia struktur komórkowych obserwowanych obecnie (Gott III et al. 2005)

Geneza tej struktury jest nieznana i wciąż dyskutowana przez naukowców. Co w niej dziwnego to to, że na przestrzeni czasu od „wielkiego wybuchu”, który uznaje się za początek Wszechświata, zmieniła się bardzo wyraźnie. Jeśli dobrze się przyjrzeć przekrojowi mapy Wszechświata, można, podążając wstecz w czasie, to znaczy przesuwając się od środka mapy w kierunku horyzontu obserwowalnego Wszechświata, dostrzec, że galaktyki formują coraz mniej agregatów, aż w końcu obraz ich rozkładu w przestrzeni staje się jednorodny. Oznaczać to może, że młody Wszechświat był tworem bardziej jednorodnym, a dopiero z upływem czasu galaktyki zaczęły gromadzić się w specyficzny sposób, formując włóknopodobne agregaty. Te z kolei, łącząc się z innymi podobnymi agregatami, tworzyć zaczęły niezwykle porowatą strukturę przestrzenną, zamykającą między agregatami olbrzymie puste i wciąż wzrastające przestrzenie. Tak mogła powstać obecnie obserwowana komórkopodobna wielka struktura Wszechświata.

Mapa ukazuje również, że w czasach coraz bliższych chwili obecnej galaktyki łączą się strukturami podbnymi do włókien, tworząc coraz bardziej gęstsze asocjacje, a olbrzymie pustki między tymi asocjacjami rosną, zwiększając swoją objętość. Natura tego procesu również nie jest znana i mocno debatowana. Przypuszcza się, że jest on wynikiem własności samej czasoprzestrzeni.

Olbrzymie przestrzenie międzygalaktyczne nie są puste, jak to na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać. Wypełniają je wysokoenergetyczne pola kwantowe o różnej lepkości, pole elektromagnetyczne, promieniowanie kosmiczne oraz rozrzedzone i zjonizowane gazy. To wysokoenergetyczne środowisko próżni kosmicznej podlega ciągłym fluktuacjom, w wyniku których to środowisko próżni wciąż może wpływać na własności materii i jej skupisk w galaktykach. Energię pustej, wydawać by się mogło, przestrzeni wykrył po raz pierwszy holenderski badacz H.B.C. Casimir w 1948 roku, kiedy pracował nad chemią koloidów i wyjaśnieniem natury sił przyciągania w mikroświecie, zwanych oddziaływaniem van der Waalsa.

W ostatnim dziesięcioleciu zmienił się w znacznym stopniu paradygmat postrzegania Wszechświata. Teraz wiemy, że świat taki, jaki wokół siebie widzimy, nie jest stanem normalnym. Można rzec, że ten przepełniony dobrami materialnymi świat wokół nas jest niezwykle rzadką formą Wszechświata. Wiadomo już, że materii barionowej jest w nim niewiele, zaledwie marne kilka procent – w najlepszym razie. Wszechświat właściwy, ten którego 95% masy wciąż nie znamy, to fluktuujące kwantowe pola skalarne energii, a galaktyki i światy podobne do naszego wydają się marginalnym zanieczyszczeniem, może nawet wprost nieistotnym efektem ubocznym życia tego superorganizmu, który ciągle poznajemy.

Ostatnio odkryto istnienie obszernych pól magnetycznych generowanych wewnątrz galaktyk i rozciągających się w głębokie przestrzenie międzygwiezdne i międzygalaktyczne. Kosmos jest przepełniony zjonizowaną materią. Plazma jest najczęściej spotykanym stanem skupienia materii barionowej we Wszechświecie. Elektrycznie naładowana plazma wiatrów gwiezdnych wypełnia środowisko wewnątrzgalaktyczne, a potężne strumienie naładowanych cząstek wyrzucane są z relatywistycznymi prędkościami prostopadle do płaszczyzny galaktyk z ich centralnego rejonu. Owe strumienie plazmy mogą być elementem wymiany materii i ładunku elektrycznego między bliskimi sobie galaktykami. To wszystko ukazuje kosmos jako wysoce złożony system powiązanych ze sobą elementów. Ten skomplikowany system elektryczny, jakim jest obserwowalny Wszechświat, wydaje się niewielkim fragmentem ekstrawielkiego monopolu magnetycznego, który rozciąga się daleko poza horyzont widzialnego dla nas Wszechświata.

Skoro, jak to zakomunikował Hawking w swojej szeroko znanej książce Krótka historia czasu (Hawking 2015), łonem, z którego narodził się nasz Wszechświat, była osobliwość, można wnioskować, że stanowi on dwuwymiarową powierzchnię (branę) horyzontu zdarzeń owej osobliwości – czarnej dziury. Jeśli powierzchnia ta nie jest obojętna elektrycznie, tak jak mogą istnieć elektrycznie naładowane czarne dziury, mogłoby to oznaczać, że siły elektromagnetyczne odgrywają bardziej istotną rolę w formowaniu wielkiej struktury Wszechświata, niż to dziś się przypuszcza.

Drobną cząstką owej wielkiej struktury jest nasza Galaktyka, sfotografowana z profilu w dwumikronowym studium nieba – ryc. 1.2 przedstawia silnie spłaszczony dysk o średnicy około 100 tysięcy lat świetlnych, z niewielkim zgrubieniem w centrum. Jest to typowa galaktyka spiralna, zawierająca, jak wspomniano, szacunkowo dwieście miliardów gwiazd. Jest ona jedną z dwustu miliardów galaktyk połączonych w pajęczą sieć olbrzymiej struktury komórkowej widocznej na czasoprzestrzennej mapie obserwowalnego Wszechświata (ryc. 1.1).

Ryc. 1.2. | Fotografia Galaktyki w paśmie dwumikronowym (Two Micron All Sky Survey (2MASS)/Wikimedia Commons)

Elementami składowymi materii barionowej Galaktyki są gwiazdy, obłoki pyłowo-gazowe tworzące gęste chmury w pasie równikowym dysku galaktycznego, setki milionów planet będących efektem ubocznym powstawania gwiazd oraz olbrzymia masa prymitywnej materii, niejako pozostałości na placu budowy systemów planetarnych gwiazd.

Dzięki odkrytym prawom ewolucji gwiazd i galaktyk, ustalonym przez astrofizyków i astronomów, możemy obecnie wyrobić sobie pogląd na rolę tego gigantycznego tworu kosmicznego, jakim jest nasza Galaktyka, jedna z olbrzymiej liczby podobnych do niej galaktyk połączonego systemu Wszechświata. Przy niewielkiej dozie wyobraźni da się przedstawić galaktykę jako swojego rodzaju kolonię działającą niczym fabryka albo olbrzymi tygiel alchemika, gdzie w gorących termojądrowych piecach gwiazd dokonuje się synteza pierwiastków ciężkich, budowanych z podstawowego w przestrzeni budulca obłoków gazowych, jakim są atomy wodoru i helu.

Syntezowane w tej gwiezdnej fabryce pierwiastki w ciągu miliardów lat rozsiewane były po całej przestrzeni Galaktyki w czasie jej rotacji wokół osi obrotu, a proces ten wspomagany był wiatrem gwiezdnym emanowanym w postaci wysokoenergetycznych strumieni jonów pędzonych w przestrzeń ciśnieniem światła. Nowo powstałe pierwiastki rozsiewane były w polach magnetycznych gwiazd, a także wyrzucane falami wybuchów gwiazd nowych i supernowych. Nowo utworzone pierwiastki cięższe od wodoru i helu, za wyjątkiem litu, nie były obecne we wczesnym Wszechświecie, dopiero z czasem, syntezowane w piecach atomowych gwiazd, zasilały ciemne chmury pyłowo-gazowe równika galaktyk.

Materia tych obłoków staje się tworzywem następnej generacji gwiazd, bogatych w metale i podobnych w tym do naszego Słońca. Kolejne pokolenia gwiazd w sposób ciągły nadbudowują gęstość pierwiastków ciężkich w galaktykach. Wraz z pojawieniem się w przestrzeni pierwiastków ciężkich tworzyć się zaczęły coraz bardziej złożone związki chemiczne. Z nich krystalizowały minerały, które formowały zespoły, tworząc drobny, nanowymiarowy pył mineralny w obłokach międzygwiezdnych, pierwsze zarodki skał.

W ten sposób w skład obłoków międzygwiezdnych oprócz gazów weszły pyły mineralne o wymiarach średnio nieprzekraczających 100 nm (nanometr to milionowa część milimetra). Pochodzenie i ewolucja tych pyłów wciąż nie jest jasna, ale wiele z nich, jak nanodiamenty, może kondensować w zimnych otchłaniach próżni międzygwiezdnej galaktyk, bogatej w organiczne molekuły, takie jak alkohole czy aminokwasy, cegiełki życia. Być może pomaga w tym procesie panująca w przestrzeni bardzo niska temperatura, zbliżona do kilku stopni powyżej zera bezwzględnego. Wyjaśnić tu trzeba, że 0 K (kelwinów) odpowiada temperaturze –273,15°C (stopni Celsjusza). Tak niska temperatura jest bardzo korzystna dla kondensacji atomów węgla na zarodkach krystalicznych, z czego w wyniku procesu epitaksji, swego rodzaju imitowania struktury podłoża, narastać mogły kolejne warstwy kryształków samoistnie organizującej się struktury diamentu. Węgiel ten, pierwotnie syntetyzowany w nuklearnych reakcjach wewnątrz gwiazd, w dalszej ewolucji materii w obłokach pochodzić może z rozpadu molekuł organicznych pod wpływem promieniowania kosmicznego. Inne drobinki pyłowe powstające na skutek wybuchu nowych i supernowych gwiazd, jak przedstawiono na ryc. 1.3, i rozpraszane w przestrzeni kosmicznej Galaktyki, z czasem wchodzą w skład formujących się systemów planetarnych. Znane są ziarna o składzie węglików krzemu o rozmiarach dochodzących nawet do 10 mikronów (0,01 mm). Pyły te wraz z gazem stanowiły wspólną masę zapadającego się obłoku protogwiezdnego, z którego powstał Układ Słoneczny.

Dalsza eskalacja procesów chemicznych wymagała już większego dopływu energii i gęstszego środowiska. Warunki takie mogły być spełnione dopiero wtedy, kiedy obłoki pyłowo-gazowe grawitacyjnie zaczęły się zapadać, gęstnieć, a w ich centrum wzrastać poczęła nowa gwiazda, zwana w okresie tworzenia protogwiazdą. Dookoła tej formującej się protogwiazdy tworzył się płaski, bardzo gorący pierścień pyłowo-gazowy, zwany dyskiem protoplanetarnym (PP), podobny do przedstawionego na ryc. 1.4. Prymitywna meteria dysku PP, o ciśnieniu P < 10^2 Pa, składała się w 98,5% z gazu złożonego z wodoru (H) i helu (He), a pozostałe pierwiastki tworzące resztę obecnych skał i lodów systemu planetarnego stanowiły zaledwie 1,5% całkowitej masy mgławicy.

A

B

Ryc. 1.3. | A – obłok pyłowo-gazowy w Orionie. W wielu miejscach obłoki takie zapadają się grawitacyjnie, dając początek formowaniu się gwiazd i ich systemów planetarnych (NASA); B – Mgławica Kraba – materiał wyrzucony po wybuchu supernowej wzbogaca przestrzeń w pierwiastki ciężkie (Crab_Nebula NASA ESA J. Hester and A. Loll, Arizona State University, Wikimedia Commons)

Pierwotne ziarna i ich agregaty formujące się w materii dysku protoplanetarnego w wyniku złożonych oddziaływań wielu czynników środowiska, takich jak: grawitacja, siły odśrodkowe w wirującym obłoku, różnice gęstości, oddziaływania magnetyczne i elektryczne powstającej gwiazdy, oraz całej gromady sąsiednich protogwiazd zaczęły prawdopodobnie rozdzielać się i ewoluować w zależności od warunków sektora, w jakim się znajdowały. Cały ten prosty – jak by się zdawało – obraz komplikował proces migracji materii i mieszania się substancji w dysku protoplanetarnym, a z braku świadków owego zdarzenia proces ten niestety nie jest dobrze poznany.

Dziś wiadomo, że centrum naszego układu planetarnego zajmuje Słońce, gwiazda należąca do grupy żółtych karłów, będąca powoli wirującą gwiazdą klasy spektralnej G2 o dużej zawartości metali, temperaturze widzialnej gołym okiem otoczki gazowej zwanej fotosferą około 5700 K i temperaturze wnętrza sięgającej 5 × 10^6 K, czyli pięciu milionów kelwinów. Słońce nie występuje w asocjacji z innymi gwiazdami i jest typową pojedynczą gwiazdą tak zwanego drugiego pokolenia. Powstało w przybliżeniu w centralnej części płaszczyzny Galaktyki, w odległości 2/3 jej promienia od centrum, w którym to centrum osadzona jest supermasywna czarna dziura, a może nawet asocjacja takich tajemniczych i mało jeszcze poznanych obiektów.

Wiek Słońca nie przekracza pięciu miliardów lat, kiedy wiek typowej gwiazdy pierwszego pokolenia jest ponad dwukrotnie większy. Słońce oddalone jest od najbliższych gwiazd oraz innych masywnych obiektów, takich jak obłoki pyłowo-gazowe, na tyle daleko, by przyjąć brak zaburzeń grawitacyjnych ze strony czynników zewnętrznych na procesy wewnątrz systemu planetarnego Słońca.

Ryc. 1.4. | Wyobrażenie artystyczne dysku protoplanetarnego, w którym formowały się wokół protosłońca planety i drobne ciała kosmiczne układu planetarnego (NASA Jet Propulsion Laboratory)

Dookoła Słońca krąży obecnie osiem planet z kilkudziesięcioma księżycami, których poznana liczba powiększa się w miarę stosowania coraz to bardziej precyzyjnych przyrządów obserwacyjnych. Najbardziej oddalona od Słońca planeta układu, Neptun, znajduje się pięć tysięcy razy bliżej Słońca niż wynosi odległość do najbliższej z sąsiednich gwiazd. Planety okrążają Słońce, biegnąc po blisko kołowych, elipsoidalnych orbitach, poruszając się w tym samym kierunku, w którym obraca się Słońce, a ogniska orbit położone są wewnątrz Słońca. Płaszczyzny tych orbit pokrywają się i w przybliżeniu leżą w tej samej płaszczyźnie, zwanej płaszczyzną ekliptyki, która z kolei swoim kątem nachylenia odbiega o około 63° od płaszczyzny centralnego dysku Galaktyki.

Obecnie przypuszcza się, że pozostałość najbardziej pierwotnej substancji w Układzie Słonecznym została zamrożona od czasów formowania się naszego układu planetarnego w ciałach komet. Ich orbity znajdują się w olbrzymich odległościach od Słońca, w tak zwanym obłoku Oorta. Chmura ta, kulistego kształtu, licząca w przybliżeniu 10^1^2 komet, otacza cały nasz system planetarny i znajduje się w odległości 30 do 100 tysięcy jednostek astronomicznych od Słońca (za jednostkę astronomiczną uważa się średnią odległość Ziemi od Słońca i wynosi ona 150 milionów kilometrów, czy inaczej 8 minut świetlnych), a rozrzedzona może rozciągać się jeszcze dalej, aż do granicy grawitacyjnej dominacji Słońca, poza którą ciała będą podlegały siłom przyciągania innych sąsiednich gwiazd. Na skutek zaburzeń powodowanych przez najbliższe gwiazdy i gęste obłoki gazowo-pyłowe niektóre z komet modyfikują swoją orbitę na silnie wydłużoną i zagłębiają się do wewnątrz układu planetarnego. Po pewnym okresie krążenia na tak wydłużonej orbicie, na której kometa zbliża się do gorących obszarów w bezpośredniej bliskości gwiazdy, kometa traci składniki lotne, a w silnym polu grawitacyjnym gwiazdy i związanych z nią planet rozpada się na mnóstwo fragmentów, by ostatecznie zderzyć się z którąś z planet, jak to obserwowano w 1994 roku, kiedy wiele elementów byłej komety Shoemaker-Levy 9 zginęło w zderzeniu z atmosferą Jowisza.

Holenderski astronom Jan Hendrik Oort jeszcze w połowie XX wieku myślał, że komety powstały na skutek wybuchu planety w rejonie obecnego pasa planetoid. Obecnie przypuszcza się, że głównym mechanizmem, w wyniku którego powstały komety występujące w obłoku Oorta, było wyrzucanie pierwotnej materii dysku protoplanetarnego przez powstające planety-olbrzymy. Po przeanalizowaniu modeli kosmogonicznych okazało się, że poza granice układu planetarnego wyrzucona została masa stukrotnie przewyższająca masę wszystkich ciał kometarnych zawartych wewnątrz obłoku. Największy wkład w wyrzucanie ciał poza układ planetarny przypisywano Jowiszowi, jednak okazało się, że bardziej w budowanie obłoku kometarnego zaangażowana jest inna planeta, Neptun. Jest on położony bliżej siedliska komet, jego strefa jest najchłodniejsza i dlatego ciała z niej wyrzucone charakteryzują się najwyższą zawartością substancji lotnych w porównaniu z resztą ciał Układu Słonecznego. Ocenia się, że sumaryczna masa wszystkich wyrzuconych komet do obłoku Oorta ze strefy dysku protoplanetarnego stanowiącej niegdyś strefę oddziaływania Neptuna kilkakrotnie przewyższa masę Ziemi. Ocenia się również, że obłok tworzył się dookoła dysku protoplanetarnego w okresie około miliarda lat. Uznanie komet za produkt uboczny tworzenia się planet gigantów znalazło szerokie uznanie w świecie nauki.

Niektóre z komet, przechodząc przez bliskie Słońcu rejony Układu Słonecznego, poniżej umownej granicy zwanej „linią śniegu”, rozciągającą się na wysokość około dwóch i pół do trzech jednostek astronomicznych (j.a.), licząc od Słońca, nagrzewają się, a ich materia lotna paruje. Spod powierzchni skorupy komety biją w przestrzeń strumienie gazu i niesionego z nim pyłu, jak w przypadku komety Halleya na ryc. 1.5A. Z gazowej składowej jądra komety tworzy się wtedy spektakularna, jasno świecąca głowa (coma), a z niej rozwijają się stale zwrócone w kierunku od Słońca dwa jesne strumienie, jak przedstawiono to na ryc. 1.5B. Zawarte w tych strumieniach pyły i gazy zwiewane zostają ciśnieniem światła i wiatru słonecznego, tworząc tak zwane warkocze, mogące czasem osiągać długość nawet do 160 milionów kilometrów, co jest odległością nawet większą niż jednostka astronomiczna, czyli odległość Ziemi od Słońca. Jednak średnio długość warkoczy komet ocenia się na kilka milionów kilometrów. Dobrze rozwinięta kometa ma zazwyczaj dwa warkocze. Jeden jest warkoczem gazowo-jonowym, zbudowanym z elektrycznie naładowanych jonów gazu, i zwrócony jest zawsze prosto od Słońca, podążając za lub przed głową komety. Drugi to warkocz pyłowy, odchylony zazwyczaj wyraźnie od gazowo-jonowego i zakrzywiony niczym sierp od prostoliniowego warkocza gazowego.

Niejednokrotnie obserwowano rozpad stosunkowo słabo zwięzłych ciał komet na ich orbicie, o czym więcej informacji znajdzie się w dalszych rozdziałach. Rozpad taki doprowadza do rozproszenia się głównej masy jądra komety na bardzo drobne fragmenty krążące w postaci rozproszonych po całej orbicie rojów.

A

B

Ryc. 1.5. | A – fotografia jądra komety Halleya z widocznymi strumieniami gazowo-pyłowymi (NASA/ESA); B – przedstawienie komety z głową i warkoczami pyłowym i jonowo-gazowym (Encyklopedia Fantastyki)

Ziemia niekiedy przecina drogę takim rojom. Wtedy na nieboskłonie pojawiają się zjawiska „spadających gwiazd” – meteorów. Meteory wybiegają pozornie z jednego miejsca na nieboskłonie, rozsypując się niczym race, których świetliste iskry rozbiegają się we wszystkie strony. Typowym przykładem tego zjawiska może być rój Perseidów, który około 12 sierpnia obserwować można nocą na pogodnym niebie. Gęstość roju meteorów jest wtedy tak duża, że niemal co minutę zaobserwować można świetlisty rozbłysk „spadającej gwiazdy”, o czym dowiemy się z następnych rozdziałów.

Ryc. 1.6. | Przykład widma meteoru z roju Perseidów. Widoczne są linie tlenu, azotu, sodu, magnezu i żelaza (Comenius University in Bratislava)