Az asztrofizika születése

Egy perc tudomány 14.

225

Vannak emberek – nők és férfiak –, akik nem elégszenek meg az istenekről és óriásokról szóló regékkel, s nem kötik le gondolataikat a hétköznapi élet problémái sem: távcsöveket építenek, mesterséges holdakat bocsátanak fel, gyorsítókat terveznek, és vég nélküli órákat töltenek íróasztalaik mellett, hogy az összegyűjtött adatok tömegéből kihámozzák azok értelmét. Az Univerzum megértését célzó kutatás egyike azon kevés dolgoknak, amelyek az emberi létet egy kevéssel a komédia fölé emelik, s valamit kölcsönöznek neki a tragédia méltóságából.
Steven Weinberg

Auguste Comte francia filozófus 1842-ben megpróbálta kijelölni az ismereteknek azokat a területeit, amelyek szerinte mindörökre elérhetetlenek maradnak a tudományos vizsgálódások számára. Úgy gondolta például, hogy a csillagok bizonyos tulajdonságait soha nem ismerhetjük meg: „… meghatározhatjuk alakjukat, távolságukat, méretüket és mozgásukat, de soha semmit nem tudhatunk meg a vegyi összetételükről!”
Nem is sejtette, hogy ebben az irányban az első lépéseket már akkor megtették, amikor ő még csak négyéves volt. Ezt a bizonyos első lépést már 1802-ben megtette egy angol orvos és természettudós, William Hyde Wollaston. Newton híres optikai kísérleteit végezte el, és észrevette, hogy a szép színképet sötét vonalak csúfítják el: a vörös tartományban két ilyen vonalat látott, a zöldben pedig hármat. Tévesen arra gondolt, hogy ezek csak átmenetek az egyes színek között, és nem vizsgálta tovább a jelenséget. De a felfedezés fölkeltette a német Joseph von Fraunhofer érdeklődését, aki sokkal alaposabb vizsgálódások után 574 sötét vonalkát azonosított. De mik ezek a vonalkódra emlékeztető sötét sávok és mi okozza?
Az 1850-es években két ismert német tudós, Robert Bunsen és Gustav Kirchhoff a heidelbergi egyetemen csakis a vonalak tanulmányozására megépítettek egy új berendezést: ez volt az első spektroszkóp. A nagy ötletük az volt, hogy különféle anyagokat hevítettek izzásig, és az általuk kibocsátott fény színképét vizsgálták. Megállapították, hogy minden kémiai elem csakis rá jellemző vonalakat hoz létre a színképben. És ez nemcsak olyan laboratóriumi siker volt: egy este Mannheimban, Heidelbergtől tizenöt kilométerre tűz ütött ki, és a Bunsenék a spektroszkópjukkal elemezni tudták a színképet. Stroncium és bárium jelenlétét mutatták ki, és hamarosan kiderült, hogy igazuk volt. És ekkor jutott eszébe Bunsennek a még nagyobb gondolat: ha egy tűz fényéből képesek voltak megállapítani, hogy milyen anyagok égtek a szomszéd városka raktárában, akkor talán képesek lesznek ugyanezt megtenni a Nap fényével is! Kirchhoffnak csak egy aggálya volt: „Kedves Bunsen, az emberek teljesen bolondnak fognak nézni minket.”
Ennek ellenére elkezdték vizsgálni a Nap színképét. Anélkül, hogy valaha ismerték volna azokat a fizikai folyamatokat, amelyek létrehozzák a sötét vonalakat – egyébként ezt csak a kvantummechanika fogja majd megmagyarázni a 20. században – már az 1860-as években meg tudták állapítani, hogy a Nap nagyjából ugyanazokat az elemeket tartalmazza, amelyeket itt, a Földön is ismerünk. Sőt, később ugyanezzel a módszerrel más csillagok anyagát is azonosítani tudták.
Kirchhoff 1859. október 7-én mutatta be felfedezésüket Berlinben, a Porosz Tudományos Akadémián. Ezt a napot tekinthetjük a spektroszkópia és vele együtt az asztrofizika születésnapjának.
Az új tudományág első kézzelfogható eredménye Joseph Lockyer angol csillagász nevéhez fűződik, aki 1868-ban a Nap színképét vizsgálva egy új vonalat fedezett fel. Elég bátor volt ahhoz, hogy kijelentse, az új vonalka egy ismeretlen kémiai elemhez tartozik, amelyet el is nevezett héliumnak, az ókori görögök napisten, Héliosz nyomán. Ezzel 27 évvel a felfedezése előtt megjósolta a második legkönnyebb elem létezését.
Most pedig jöjjön egy jellemző történet, ami arról szól, hogy milyen nehezen boldogultak a hölgyek az elvileg toleráns tudóstársadalomban (is). Cecilia Payne 1919-ben nyert meg egy ösztöndíjat a cambridge-i egyetemre, ahol botanikát, fizikát és kémiát tanult. De még első évben részt vehetett azon a híres előadáson, ahol Arthur Eddington, a kor legnevesebb csillagásza beszámolt a Principe szigetén végzett napfogyatkozás-megfigyelésről, amellyel sikerült ellenőrizni Albert Einstein relativitáselméleté-
nek azt az előrejelzését, hogy egy nagy tömegű test – a Nap – eltéríti a fényt. Ez annyira lenyűgözte Ceciliát, hogy eldöntötte, csillagász lesz.
Az akkori angliai szabályok szerint – megjegyzem, jóval toleránsabbak voltak, mint a legtöbb európai országban – egy nő járhatott már egyetemre, de diplomát nem kaphatott. Az egyetlen út a tanítás volt – valamelyik isten háta mögötti kis faluban – azon néhány bátor hölgy számára, aki természettudományos szakon végzett. Payne úgy döntött, hogy inkább elhagyja hazáját, és szerencsét próbál az egyetlen olyan országban, ahol esélye volt mégis tudományos karriert befutnia: 1923-ban áttelepült az Egyesült Államokba.
Doktori disszertációjának témájául a csillagok, legfőképpen a Nap kémiai összetételének a vizsgálatát választotta. Később egy másik nagy csillagász, Otto Struve a disszertációt „a csillagászat történetében valaha megírt PhD-dolgozatok legragyogóbbikaként” méltatta. A spektroszkópia tudománya megcáfolta Comte pesszimista jóslatát, és sikerült kimutatni, hogy a csillagok is tartalmazzák azokat az elemeket, amelyek a földön is előfordulnak. Ez hihetetlenül fontos felismerés volt, hisz az asztrofizika és a kozmológia művelése egyszerűen lehetetlen lenne, ha minden egyes galaxisban vagy rendszerben más-más törvények uralkodnának, és más anyagokból épülnének fel.
Sajnos a csillagászok ebből azt a kissé elhamarkodott következtetést vonták le, hogy a csillagok kémiai összetétele nagyjából olyan, mint a Földé. Bolygónk anyagának csaknem fele oxigén, 28%-a szilícium, 8%-a alumínium és van még elég sok vas, kalcium, nátrium és magnézium. A kutatók azt feltételezték, hogy a csillagok is hasonló kémiai összetételűek.
Payne legfontosabb eredménye az volt, hogy megfejtette a Nap színképében levő vonalak bonyolult rendszerét, és megállapította, hogy a különböző elemek milyen arányban fordulnak elő. A legnagyobb meglepetést az okozta, hogy kiderült, a Nap és a csillagok szinte teljes egészében hidrogénből és héliumból állnak! Sőt, tulajdonképpen az akkor ismert világegyetem anyagának a legnagyobb részét, több mint 99%-át a két legkönnyebb kémiai elem teszi ki. Ez 1925-ben a szó szoros értelmében hihetetlennek hangzott.
Olyannyira hihetetlennek, hogy nem is akarták elfogadni az asztrofizikusok. Megjegyzem, nemcsak azért, mert olyan nehéz volt elfogadni, hogy a hidrogén ennyire uralja az univerzumot. Legalább annyira kiváltotta az ellenkezést az is, hogy a felfedező egy hölgy volt…

Nagy Péter

Akár ez is tetszhet

Hozzászólások lezárva, de 1 | trackbacks és Pingbacks vannak nyitva.

Ez a weboldal Cookiekat használ a felhasználói élmény javítása érdekében Elfogadom Részletek