Teleskop Hubble'a

Niewiele teleskopów miało równie znaczący wpływ na badania astronomiczne co Kosmiczny Teleskop Hubble'a. Powszechne wyobrażenie o jego zasługach jest jednak w dużej mierze niewłaściwe.
Za pomocą tego przyrządu nie dokonano ani jednego odkrycia, do którego mógłby sobie rościć pełne prawa. Kontynu- ował natomiast obserwacje rozpoczęte z Ziemi i pozwolił zamienić formułowane przez astronomów podejrzenia w niemal stuprocentową pewność. Wraz z innymi przyrządami należał do zespołu, który stworzył wielobarwny obraz kosmosu. Zmusił teoretyków do przemyślenia ogólnikowych hipotez i opracowania nowych, o wiele bardziej szczegółowo wyjaśniających astronomiczne zjawiska. W skrócie - zasłużył się nie poprzez samodzielną działalność, lecz dzięki współdziałaniu z innymi instrumentami.

W kwietniu minął szesnasty rok pracy teleskopu Hubble'a na orbicie. Jego osiągnięcia, zarówno w zakresie badań astronomicznych, jak i popularyzacji astronomii poprzez pokazywanie piękna kosmosu ludziom na całym świecie, zostały odsunięte na drugi plan przez dyskusje na temat jego przyszłości. Podczas gdy NASA usiłuje wznowić loty wahadłowców, teleskop Hubble'a powoli traci sprawność. Jeżeli nie dojdzie do misji serwisowej lub jej wynik będzie niepomyślny, może zakończyć pracę już w połowie 2008 roku. Ta perspektywa skłoniła mnie do podsumowania dorobku ostatniego piętnastolecia - okresu, który wielu naukowców uważa za złoty wiek astronomii.

Poniżej przedstawiam 10 wybranych zagadnień, zaczynając od odkryć dotyczących najmniejszych obiektów, takich jak planety, a kończąc na obserwacjach galaktyk i całego Wszechświata. Mój wybór jest siłą rzeczy subiektywny i inny być nie może. W krótkim artykule nie sposób wspomnieć o wszystkich zasługach teleskopu Hubble'a. Gdy go pisałem, archiwum Hubble'a zawierało ponad 27 TB danych i rozrastało się w tempie 390 GB na miesiąc. Dane te stały się podstawą 6300 artykułów naukowych. Jakby tego było mało, Hubble nie przestaje dostarczać informacji prawdziwie zdumiewających: w ostatnim roku, współpracując z innymi instrumentami, odkrył dwa nowe księżyce Plutona oraz nieoczekiwanie masywną galaktykę z bardzo wczesnej epoki Wszechświata i obiekt o masie planety towarzyszący brązowemu karłowi, który sam waży niewiele więcej niż planeta. Dzięki niemu możemy uważać się za wybrańców losu, ponieważ przyszło nam żyć w epoce, w której oglądamy obiekty dostępne dotychczas tylko ludzkiej wyobraźni.

Spektakularny koniec komety

Z kosmicznej perspektywy spadek komety Shoemaker-Levy 9 na Jowisza nie był niczym nadzwyczajnym: pokryte kraterami powierzchnie skalistych planet i księżyców są wystarczającym dowodem na to, że Układ Słoneczny to jedna wielka strzelnica. Dla nas było to jednak wydarzenie wyjątkowe; szacuje się bowiem, że takie katastrofy są bardzo rzadkie: kometa uderza w planetę średnio raz na 1000 lat.

Zdjęcia wykonane przez teleskop Hubble'a na rok przed katastrofą Shoemaker-Levy 9 pokazały, że kometa ta rozpadła się na dwadzieścia kilka odłamków, które nazwano "sznurem pereł". Pierwszy z nich wpadł w atmosferę Jowisza 16 lipca 1994 roku, a kolejne w ciągu następnego tygodnia. Teleskop zarejestrował pióropusze dymu podobne do grzybów atomowych, które wynurzały się zza tarczy Jowisza, by rozwiać się po kilkunastu minutach. "Blizny" po tych uderzeniach utrzymywały się przez wiele miesięcy.

Zdjęcia tego wyjątkowego zjawiska były niezwykle ciekawe nie tylko ze względu na jego egzotykę, lecz także dlatego, że dzięki nim pojawił się intrygujący problem związany z chemicznym składem gazowego olbrzyma. Po jednym z uderzeń fale wzbudzone przez fragment komety rozbiegały się z prędkością 450m/s. Najpopularniejsze jest wytłumaczenie, że były to fale związane z działaniem siły wyporu (która sprawia, że wciśnięty do wody kawałek drewna natychmiast z niej wyskakuje). Jeśli to prawda, to z własności takich fal wynika intrygujący wniosek: w jowiszowych chmurach wodnych, w których się rozprzestrzeniają, stosunek wagowy tlenu do wodoru jest 10-krotnie większy niż na Słońcu! Gdyby - jak uważają niektórzy teoretycy - Jowisz powstał wskutek grawitacyjnej niestabilności dysku protopla- netarnego, to powinien mieć dokładnie taki sam skład chemiczny jak dysk, a więc bardzo podobny do składu Słońca. Problem ten do dziś nie został rozwiązany.

Planety pozasłoneczne

W 2001 roku American Astronomical Society przeprowadziło wśród planetologów ankietę,
w której pytano o największe odkrycie minionego dziesięciolecia. Wybór padł na planety
pozasłoneczne. Obecnie znamy już ponad 180 takich ciał niebieskich. Większość z nich odkryto
za pomocą teleskopów naziemnych, badając drobne chybotania w ruchach gwiazd, które są
wywoływane przez grawitację krążących wokół nich planet. Obserwacje tego typu dostarczają jednak
tylko minimum informacji o planecie (można z nich otrzymać jedynie rozmiar i mimośród jej orbity oraz
dolne ograniczenie jej masy).

Teleskop Hubble'a zdobył dodatkowe dane dzięki obserwacjom planet, których orbity widzimy z boku. Takie planety co pewien czas przesuwają się przed tarczami swych gwiazd, powodując niewielkie osłabienie ich blasku (zjawisko to nosi nazwę tranzytu). Wykonana przez teleskop Hubble'a obserwacja pierwszej tranzytującej planety pozasłonecznej (towarzyszki gwiazdy HD 209458) dostarczyła bardzo szczegółowych danych o tym obiekcie. Okazało się, że jego masa jest o 30% mniejsza od masy Jowisza, a jego promień jest o tyle samo procent większy. Ten efekt "rozdęcia" jest prawdopodobnie spowodowany przez promieniowanie macierzystej gwiazdy. Pomiary były tak precyzyjne, że astronomowie mogliby wykryć szerokie pierścienie lub masywne księżyce, gdyby krążyły wokół planety. Niczego takiego jednak znaleźli. Szerokim echem odbiły się za to wykonane za pomocą teleskopu Hubble'a pierwsze pomiary składu chemicznego tranzytującej planety. Jej atmosfera zawiera sód, węgiel i tlen, zaś wypływający z niej wodór tworzy warkocz podobny do warkoczy kometarnych (lecz oczywiście o wiele większy). Obserwacje te są wstępem do poszukiwań chemicznych śladów życia w naszej Galaktyce.

Kosmiczne konwulsje

Zgodnie z teorią gwiazda o masie od ośmiu do 25 mas Słońca kończy swą ewolucję wybuchem supernowej. Do eksplozji dochodzi w chwili, gdy wyczerpują się zapasy paliwa jądrowego. W gwieździe zostaje wtedy gwałtownie zachwiana równowaga między ciśnieniem i grawitacją, wskutek czego jej rdzeń zapada się, tworząc gwiazdę neutronową - martwy, niezwykle gęsty obiekt obdarzony silnym polem magnetycznym. Wyzwolona przy tym energia rozpędza zewnętrzne warstwy gwiazdy, które zostają odrzucone w przestrzeń międzygwiazdową z prędkością kilkunastu tysięcy kilometrów na sekundę.

Weryfikacja tych przewidywań jest bardzo trudna, bowiem od 1680 roku żadna supernowa nie wybuchła w naszej Galaktyce. 23 lutego 1987 roku astronomowie zaobserwowali jednak wybuch supernowej w Wielkim Obłoku Magellana - niewielkiej galaktyce krążącej wokół Drogi Mlecznej. W owym czasie teleskop Hubble'a nie znajdował się jeszcze na orbicie, ale trzy lata później rozpoczął obserwacje pozostałości po wybuchu i odkrył układ trzech pierścieni otaczających miejsce eksplozji. Centralny pierścień to zapewne wąska talia wydmuchanego przez wiatr gwiazdowy pęcherza w kształcie klepsydry, natomiast pierścienie zewnętrzne mogą być śladami dwóch obłoków w kształcie łez, które gwiazda wyrzuciła kilkadziesiąt tysięcy lat przed wybuchem. W 1994 roku Hubble zaobserwował jasne plamy pojawiające się kolejno na centralnym pierścieniu w miejscach, gdzie zderzały się z nim strzępy materii odrzuconej przez supernową. Obserwacje pierścienia są kontynuowane, dzięki czemu astronomowie uzyskują coraz lepszy obraz ostatnich konwulsji gwiazdy.

Z kosmicznej perspektywy spadek komety Shoemaker-Levy 9 na Jowisza nie był niczym nadzwyczajnym: pokryte kraterami powierzchnie skalistych planet i księży- ców są wystarczającym dowodem na to, że Układ Słoneczny to jedna wielka strzelnica. Dla nas było to jednak wydarzenie wyjątkowe; szacuje się bowiem, że takie katastrofy są bardzo rzadkie: kometa uderza w planetę średnio raz na 1000 lat.

W niektórych mgławicach planetarnych wykryto układy koncentrycznych pierścieni. Oznacza to, że wypływ materii nie jest procesem ciągłym, lecz ma charakter epizodycznych wyrzutów powtarzających się co około 500 lat. Okres ten jest zbyt długi, by wyrzuty mogły być następstwem pulsacji dynamicznych (podczas których gwiazda na przemian kurczy się i rozdyma wskutek lekkiego zachwiania równowagi między grawitacją a ciśnieniem), a jednocześnie za krótki, by dało się je wytłumaczyć pulsacjami termicznymi (podczas których tempo przemian jądrowych we wnętrzu gwiazdy na przemian rośnie i maleje). Przyczyna powstania pierścieni pozostaje zatem niewyjaśniona.

Narodziny gwiazd

Naukowcy od dawna wiedzą, że wąskie strugi gazu tryskające z gęstych obłoków międzygwiazdowych (tzw. dżety) są jedną z oznak aktywności procesów gwiazdotwórczych. Formująca się gwiazda może wystrzelić dwa przeciwnie skierowane dżety długości kilku lat świetlnych. Mechanizm ich kolimacji i rozpędzania pozostaje zagadką. Według najbardziej popularnej hipotezy kluczową rolę ogrywa tu wielkoskalowe pole magnetyczne, które przenika gazowo-pyłowy dysk otaczający młodą gwiazdę. Zjonizowana materia może poruszać się tylko wzdłuż linii pola magnetycznego; musi zatem oddalać się od środka wirującego dysku niczym paciorki na drucie ustawionym ukośnie do osi karuzeli. Teleskop Hubble'a potwierdził tę hipotezę, po raz pierwszy dostarczając bezpośrednich dowodów na to, że dżety powstają w centrum dysku.

Hubble zadał też kłam powszechnemu wśród astronomów przeświadczeniu, że dysków wokółgwiezdnych nie da się obserwować, ponieważ są schowane głęboko wewnątrz obłoków międzygwiazdowych. Odkrył dziesiątki dysków protoplanetarnych (tzw. proplyd), a wśród nich wiele takich, które wyraźnie widać na tle jasnych mgławic. Dyski protoplanetarne otaczają co najmniej połowę przebadanych młodych gwiazd, co oznacza, że budulec dla nowo powstających planet jest w naszej Galaktyce wszechobecny.

Galaktyczna archeologia

Astronomowie sądzą, że wielkie galaktyki, takie jak Droga Mleczna czy sąsiadująca z nią Wielka Mgławica Andromedy, powstały przez akumulację mniejszych obiektów. Ślady tego procesu powinny być widoczne w rozmieszczeniu gwiazd, ich wieku, składzie chemicznym i prędkościach. Teleskop Hubble'a odegrał zasadniczą rolę w odczytywaniu tej historii. Przykładem są obserwacje halo Mgławicy Andromedy (kulistej, bardzo rozrzedzonej chmury gwiazd i gromad gwiazd, która otacza dysk galaktyczny). Astronomowie znaleźli w nim gwiazdy w różnym wieku: najstarsze mają od 11 do 13.5mld lat, zaś najmłodsze - od 6 do 8 mld. Te najmłodsze wyglądają przy swych starszych sąsiadkach jak dzieci w domu starców. Musiały więc trafić tam albo z jakiejś młodszej galaktyki (być może z połkniętego satelity Wielkiej Mgła- wicy), albo z młodego obszaru dysku, po tym jak został zaburzony przez przelatującą w pobliżu galaktykę. W halo Drogi Mlecznej równie młode gwiazdy nie występują tak licznie. Z obserwacji wykonanych za pomocą teleskopu Hubble'a wynika zatem, że chociaż Andromeda i Droga Mleczna mają podobne kształty, ich dzieje musiały być różne.

Bogactwo supermasywnych czarnych dziur

W latach sześćdziesiątych astronomowie zaczęli się domyślać, że energia emitowana przez kwazary i inne aktywne jądra galaktyk pochodzi ze spadku materii na czarne dziury. Obserwacje teleskopu Hubble'a potwierdziły te domysły: okazało się, że prawie każda z przebadanych galaktyk ma w centrum olbrzymią czarną dziurę. Szczególne znaczenie mają dwa odkrycia. Po pierwsze, na wykonanych w dużej rozdzielczości zdjęciach kwazarów widać, że znajdują się one w jasnych galaktykach eliptycznych lub w galaktykach oddziałujących z innymi galaktykami. Może to oznaczać, że materia dopływa do czarnej dziury w następstwie pewnej sekwencji wydarzeń. Po drugie, występuje silna korelacja między masą czarnej dziury i masą zgrubienia centralnego (sferycznego zgęszczenia gwiazd, które otacza środek galaktyki). Z korelacji tej wynika, że powstanie i ewolucja galaktyki są ściśle związane z powstaniem i ewolucją jej czarnej dziury.

Najpotężniejsze wybuchy

Zjawiska określane jako błyski gamma (GRB - gamma-ray bursts) to trwające od kilku milisekund do dziesiątków minut rozbłyski kosmicznych źródeł promieniowania gamma. W zależności od czasu trwania i cech widmowych dzielą się na dwie klasy. Tzw. długie błyski trwają dłużej niż dwie sekundy, a w ich widmach dominują fotony o stosunkowo niskich energiach. Badania przeprowadzone przez Compton Gamma Ray Observatory, rentgenowskiego satelitę BeppoSAX i obserwatoria naziemne wykazały, że są one związane z zapadaniem się rdzeni masywnych, krótko żyjących gwiazd, czyli z jednym z rodzajów supernowych. Do niedawna astronomowie nie umieli jednak odpowiedzieć na pytanie, dlaczego tylko niewielki procent supernowych emituje błyski gamma.

Za pomocą teleskopu Hubble'a wykazano, że "zwykłe" supernowe wybuchają we wszystkich miejscach obszarów formowania się gwiazd, podczas gdy źródła długich błysków znajdują się w najjaśniejszych rejonach tych obszarów, a więc tam, gdzie powstają gwiazdy o największej masie. Ponadto macierzyste galaktyki długich błysków gamma mają mniej regularne kształty niż galaktyki, w których wybuchają supernowe, i są od nich znacznie słabsze; zawierają też mniej pierwiastków ciężkich. Gwiazda uboga w pierwiastki ciężkie emituje słabszy wiatr gwiazdowy i traci mniej materii niż gwiazda o dużej zawartości pierwiastków ciężkich. Kończąc ewolucję i wybuchając jako supernowa, ma zatem większą masę, a z jej zapadającego się rdzenia powstaje nie gwiazda neutronowa, lecz czarna dziura. Astronomowie uważają, że długie błyski pochodzą z wąskich dżetów generowanych przez szybko rotujące czarne dziury. O tym, czy zapadający się rdzeń wyemituje błysk gamma, decyduje więc masa i prędkość rotacji umierającej gwiazdy.

Krótkie błyski trwają krócej niż dwie sekundy, a w ich widmach dominują fotony o wysokiej energii. Identyfikacja ich źródeł okazała się zadaniem bardzo trudnym. Pozycje kilku z nich udało się określić dopiero w zeszłym roku dzięki satelitom HETE 2 i Swift. Z obserwacji wykonanych za pomocą teleskopu Hubble'a i Obserwatorium Rentgenowskiego Chandra wynika, że wyzwalają one znacznie mniej energii niż długie błyski. Co więcej, występują w różnych rodzajach galaktyk - także w galaktykach eliptycznych, w których nie rodzą się już gwiazdy. Wydaje się więc, że nie są bezpośrednio związane z masywnymi, krótko żyjącymi gwiazdami, lecz raczej z ich pozostałościami. Według najbardziej prawdopodobnej hipotezy, do krótkiego błysku dochodzi wskutek zlania się dwóch gwiazd neutronowych.

Granice przestrzeni

Jednym z najważniejszych zadań astronomii jest prześledzenie ewolucji galaktyk aż do najwcześniejszych chwil tuż po Wielkim Wybuchu. Aby się dowiedzieć, jak wyglądała w przeszłości Droga Mleczna, naukowcy kompletują zdjęcia galaktyk w różnym wieku - od niemowlęctwa do pełnej dojrzałości. W tym celu za pomocą teleskopu Hubble'a, a także innych przyrządów, przeprowadzili długotrwałe obserwacje niewielkich obszarów nieba: Głębokiego Pola Hubble'a, Ultragłębokiego Pola Hubble'a i Głębokiego Przeglądu Wielkich Obserwatoriów (GODS - Great Observatories Origins Deep Survey). Fotografując najodleglejsze galaktyki, oglądali je w stanie, w jakim znajdowały się miliardy lat temu.

Otrzymane fotografie mają tak wielką czułość, że widać na nich galaktyki, które istniały, gdy Wszechświat liczył zaledwie kilkaset milionów lat, czyli około 5% obecnego wieku. Obiekty te miały mniejsze rozmiary i bardziej nieregularne kształty od galaktyk z naszego kosmicznego otoczenia. Potwierdza to tezę, że współczesne galaktyki powstały wskutek zlewania się obiektów o niewielkich rozmiarach, nie zaś poprzez rozpad jakichś olbrzymich protogalaktyk. Zasadniczym celem następcy teleskopu Hubble'a - Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba - będzie spojrzenie w jeszcze dalszą przeszłość.

Obserwacje głębokich pól dowiodły również, że w historii Wszechświata tempo procesów gwiazdotwórczych ulegało znacznym zmianom. Najwięcej gwiazd powstało około 7mld lat temu; od tego zaś czasu tempo ich powstawania spadło 10-krotnie. Gdy Wszechświat miał zaledwie miliard lat, tempo powstawania gwiazd sięgało jednej trzeciej swej maksymalnej wartości.

Wiek Wszechświata

Obserwacje przeprowadzone w latach dwudziestych przez Edwina Hubble'a i innych astronomów dowiodły, że żyjemy we Wszechświecie, który się rozszerza. Galaktyki oddalają się od siebie w sposób uporządkowany (dla dowolnie wybranej pary galaktyk A i B prędkość ucieczki A od B jest proporcjonalna do odległości AB), co zgodnie z teorią względności odzwierciedla ekspansję samej przestrzeni. Miarą aktualnego tempa ekspansji jest stała Hubble'a H0 - fundamentalny parametr kosmologiczny, umożliwiający wyznaczenie wieku Wszechświata. Rozumowanie jest proste: H0 opisuje tempo, w jakim galaktyki oddalają się od siebie. Jeśli w pierwszym przybliżeniu zaniedbamy efekty kosmicznego zwalniania i przyśpieszania, odwrotność H0 da nam czas, jaki upłynął od chwili, w której wszystkie galaktyki znajdowały się w jednym punkcie. Od wartości H0 zależą też szczegóły procesów formowania się galaktyk i powstawania lekkich pierwiastków, a także długości różnych faz ewolucji kosmosu.

Nic więc dziwnego, że dokładne wyznaczenie stałej Hubble'a było jednym z najważniejszych zadań instrumentu noszącego imię tego uczonego. W praktyce wyznaczanie wartości H0 sprowadza się do możliwie dokładnego pomiaru odległości galaktyk od obserwatora. Wbrew pozorom jest to niezwykle trudne zadanie, które w XX wieku wywoływało wiele kontrowersji. Teleskop Hubble'a zmierzył odległości 31 galaktyk, badając znajdujące się w tych obiektach cefeidy (pulsujące gwiazdy, których bezwzględną jasność, a tym samym odległość, daje się wyznaczyć przez pomiar okresu pulsacji). Błąd otrzymanej w ten sposób wartości H0 wynosi około 10%. Wyniki pomiarów stałej Hubble'a oraz obserwacji mikrofalowego promieniowania tła prowadzą do wniosku, że Wszechświat powstał 13.7mld lat temu.

Rozpędzający się Wszechświat

W 1998 roku dwie niezależne grupy astronomów ogłosiły sensacyjne odkrycie: ekspansja Wszechświata ulega przyśpieszeniu. Wcześniej naukowcy przyjmowali, że jej tempo musi maleć, gdyż przyciąganie grawitacyjne spowalnia rozbieganie się galaktyk. Przyczyna przyśpieszania kosmicznej ekspansji jest dziś największą zagadką fizyki. Według aktualnej hipotezy Wszechświat zawiera nieodkryty jeszcze składnik zwany ciemną energią. Z obserwacji teleskopu Hubble'a oraz teleskopów naziemnych i pomiarów mikrofalowego promieniowania tła można wnioskować, że ciemna energia stanowi około trzech czwartych gęstości masy i energii Wszechświata.

Wszechświat zaczął przyśpieszać około 5mld lat temu (wcześniej tempo jego ekspansji malało). W 2004 roku za pomocą teleskopu Hubble'a odkryto 16 odległych supernowych, które wybuchły w okresie tej znaczącej przemiany. Ich obserwacje pozwoliły nałożyć istotne ograniczenia na teorie opisujące ciemną energię. Najprostsza z nich (choć w pewnym sensie także najbardziej tajemnicza) mówi, że ciemna energia jest zawarta w samej przestrzeni - nawet takiej, w której nie ma żadnych form materii. Żaden inny instrument nie ma podobnych możliwości odkrywania odległych supernowych. Rola, jaką teleskop Hubble'a odgrywa w badaniach ciemnej energii, jest bodaj najważniejszym powodem, dla którego astronomowie naciskają NASA, by nie przerywać jego działalności.