Slovenija pod skupnim nebom Velika konjunkcija 2020 (III) Redoljubni potepuhi in nevidna snov POBUDA JE NADALJEVANE TISTE IZ 2019

V tem prispevku si bomo po uvodu najprej s pomočjo preproste vaje ogledali, kako presenetljivo nas Keplerjevi potepuhi pripeljejo do skrivnostne nevidne snovi.

Naslov se sliši kot bistroumna neumnost (kako je lahko potepuh redoljuben?). A ne boste verjeli, potepuhi - planeti - so med najbolj redoljubnimi nebesnimi popotniki. Kot bomo razbrali iz naslednjih stavkov, so v antiki iz potepuhov (v kontekstu časa upravičeno) naredili kar kralje in bogove - zanimiva in pomenljiva preobrazba za vse čase - povezali so tudi čas in kmetijstvo! Pravilno razumevanje gibanja planetov nam še danes pomaga pri reševanju najtrših ugank vesolja. Ali torej lahko celo napovemo velike konjunkcije (srečanja med Jupitrom, kraljem bogov in Saturnom, bogom časa, tudi kmetijstva, po grško-rimski mitologiji) in še, zakaj se letos največja planeta skoraj objameta v večerni zarji. Še lani septembra, ko smo ju opazovali širom po Sloveniji, sta bila naša planeta velikana na nebu narazen za okrog 30 ločnih stopinj. Konjunkcije (zbližanja) obeh velikanov se ponavljajo približno na vsakih 20 let (bomo v prihodnjih Spikah pokazali zakaj). A pred in po dvajsetih letih sta bila (bosta) vsaj 11x bolj narazen (več kot stopinjo, za dobri dve Luni), kot letos 21. dec., ko bosta narazen le za 0,1 ločno stopinjo - tudi to razliko bomo razložili. 0,1 ločne stopinje (6 ') pa je že razdalja nekje na meji ločljivosti človeškega očesa, sploh zaradi bleščanja Jupitra. Jupiter in Saturn bosta letos kar 2x bližje kot sta recimo "vsem" poznani znameniti zvezdi Mizar in Alkor v Velikem medvedu, ki sta že od antike naprej test za oceno povprečnega vida (torej - ali ju ločite). Ali ločite dvojno zvezdo Epsilon Lire 1 in 2 (v bistvu štirizvezdje), ki je narazen približno 3,5 ' - redki ju ločijo, če jih na dvojnost posebej ne opozorimo ...

Če boste letos prvič sistematično opazovali planete na večernem nebu (Venero lahko celo čez dan, a previdno, zaradi bližine Sonca ...) boste zagotovo presenečeni nad navideznim neredom med njihovim gibanjem. Podobno, kot so bili nad videnim presenečeni že staroveški astronomi - od tod tudi njihova oznaka "planetai".

A njihovo navidezno nadvse muhasto potepanje po zvezdnem ozadju (nori ples) - zdaj malo levo, potem nekaj tednov desno, malo gor, dol - ima izjemno točen vozni red. In pravilno logiko tega voznega reda smo iskali tisoče let - in trud se je povrnil. Povrnil se je v obliki Keplerjeve nebesne mehanike! Le ta je, kot bomo to še večkrat ponovili, v temelju in daljnosežno vplivala na razvoj znanosti, kulture, pogleda na svet in je hkrati kdaj vlivala celo preveč lažnega upanja, da bomo lahko ta naš svet popolnoma opisali z matematičnimi orodji - napovedovali bodočnost.

Da pa ne bomo samo teoretično hvalili tega Keplerja, naredimo kratko, a izjemno pomembno vajo, ki nas bo popeljala kar v jedro sodobne kozmologije - vede o razvoju vesolja, torej tudi o nas samih.

OD POTEPUHOV DO TEMNE SNOVI

A tudi v Keplerja smo podvomili. Zakaj? Ker ga obhodne hitrosti snovi, zvezd okrog centralnih mas galaksij baje ne ubogajo. Galaksije so v vesolju največje vrtinčaste družine zvezd, "Nikolajevih" planetov, plinov in prahu, največkrat diskaste oblike. In dolgo smo ljudje kar verjeli, da tako kot padajo hitrosti planetov z razdaljo od Sonca, padajo tudi (po Keplerju) hitrosti zvezd, prahu z razdaljo od jedra galaksije. Ko smo pomerili te hitrosti - pa smo bili v težavah! Na prvi pogled se v galaksijah zdi večino snovi - zvezd, prahu in plinov - zgoščenih v njihovem jedru. A kot kaže - obstaja še neka neznana dodatna nevidna vezivna snov, ki bistveno prispeva k tvorbi galaksij?

Kako pa se to izraža iz 3. Keplerjevega zakona? Kepler je ugotovil (kar smo omenili že v prvem članku), da je kub velike polosi (a) eliptične orbite sorazmeren kvadratu obhodnega časa (t) planeta (krajše: a³ ∝ t², v sorazmernostnem koeficientu se med drugim skriva tudi centralna masa, v našem primeru Sonca, o tem več drugič). Izrazimo še zakon z obhodnim časom:

- ta čas bomo potrebovali pri iskanju hitrosti planeta ali poljubne snovi glede na oddaljenost (r) od centralne mase (recimo Sonca ali jedra galaksije). Za vajo spremenimo elipso v krog polmera r=a (konceptualno nismo zagrešili velike napake) in hkrati zapišimo še osnovnošolsko hitrost (v) gibanja planeta okrog centralne mase - okrog Sonca:
v = obseg_orbite/obhodni_čas = 2πr/t ∝ 2πr/r^3/2 ∝ 1/r^1/2.
Za čas (t) smo torej vstavili preoblikovan tretji Keplerjev zakon (t ∝ r^3/2). Hitrost planetov torej pada obratno sorazmerno s korenom razdalje od centralne mase. Pri krožnem gibanju torej velja:

Pa preverimo Keplerjeve trditve na letošnjih junakih. Jupiter je povprečno oddaljen od Sonca rj = 5.2 ae in potuje okrog Sonca s povprečno hitrostjo vj = 13.07 km/s, Saturn pa je povprečno oddaljen od Sonca rs = 9.5 ae in potuje okrog Sonca s povprečno hitrostjo vj = 9.68 km/s (ae je astronomska enota, to je približna razdalja Zemlja - Sonce in znaša zaokroženo ae = 150 milijonov km). Če delimo hitrosti obeh potepuhov (v) in obratni vrednosti korenov razdalj (1/r^1/2), dobimo izraz [ vj/vs = (rs/rj)^1/2 ], preverimo ga:

Hitrosti oddaljenih teles merimo preko Dopplerjevega pojava, ki povezuje spremembo valovne dolžine svetlobe s hitrostjo svetil, recimo zvezd, plinov (vodika je vse polno). In rezultati meritev hitrosti v galaksijah so postavili fiziko z veliko zagato! Zakaj?

Še enkrat ponovimo - meritve hitrosti zvezd, plinov v galaksijah na različnih oddaljenostih od sredic se zdijo kot, da ne ubogajo Keplerja. Obodne hitrosti v diskih galaksij v veliki večini primerov sploh ne padajo z oddaljenostjo (1/r^1/2) glede na vidno centralno maso, snov (govorimo seveda o masi, ki se razbere iz plinov, prahu, zvezd - plazme ...) - nepričakovano ostajajo hitrosti celo dokaj konstantne! In kaj sedaj?

Da bi ohranili veljavnost Keplerjeve mehanike, smo vpeljali, kaj mislite kaj, na prvi pogled nekaj norega - vpeljali smo temno snov (Fritz Zwicky 1930 na primeru hitrosti galaksij v jati "Abell 1656" v Berenikinih kodrih in Vera Rubin okrog leta 1980 preko meritev obhodnih hitrosti materije v diskih galaksij). Temne snovi torej ne vidimo (znamo pa jo stehtati s Keplerjem) in narašča približno sorazmerno z razdaljo od sredice galaksije.

Ta proces, ko nam je iz vesolja nepričakovano v naročje padla temna snov, bi lahko opisali tudi kot pot od potepuhov do temne snovi - ki je danes eden temeljev v opisu standardnega modela vesolja. A nekateri so v tem primeru podvomili (to je v znanosti zaželeno), da je nam znana (lokalna) Keplerjeva nebesna mehanika hkrati globalno veljavna po vsem vesolju. A zadnje meritve kitajskih in ostalih astronomov (Spika 1, 2020 - novice) kažejo, da obstajajo, sicer redke (zaenkrat pritlikave) galaksije, ki se držijo Keplerjevih pravil - tam torej ni temne snovi (hitrost pričakovano pada z 1/r^1/2) in zdi se, da je to še ena velika potrditev 400 let starih zakonov - imenitno. Seveda - kot smo že omenili, kanček dvoma je zmeraj zaželen.

Levo - graf Vere Rubin iz leta 1978 prikazuje hitrosti vrtenja snovi za sedem od 10-ih galaksij, ki jih je proučevala njena ekipa. Če bi bila vidna snov edina prisotna, bi se krivulje spustile proti desni strani navzdol (graf desno, rumena krivulja). Njihova ravnost kaže, ob predpostavki, da je naše razumevanje gravitacije pravilno, da v galaksijah obstaja dodatna skrivnostna nevidna snov (t. i. temna snov).

Razen, da preko Keplerja tehtamo temno snov, še zmeraj tavamo v temi glede sestave le te. Veliko več kot pol mase (materije) bi se naj skrivalo v temni snovi - ostalo pa v atomih, sevanju, nevtrinih … Če pa upoštevamo celotno trenutno znano energijo vesolja, kjer je vključena tudi materija preko E = mc², pa se presenetljivo večino energije vesolja skriva v t. i. temni energiji, ki bi je naj bilo trenutno kar okrog neverjetnih 72 %. In ta temna energija vesolje celo pospešeno širi (je antipod Keplerjevi mehaniki - privlačni gravitaciji, oziroma Einsteinovi sliki ukrivljenosti prostor-časa zaradi mase zvezd, atomov, ostalih delcev, temne snovi, sevanj in ostalih oblik energije E/c² …). Temne energije sicer niso odkrili preko potepuhov, ampak s pomočjo meritev oddaljevanja galaksij (no tudi galaksije so potepuhinje, a na kozmični skali), v katerih so opazovali sije eksplozij standardnih zvezd - supernov tipa Ia. Te pa so temnejše od pričakovanj, ker so galaksije dlje, dlje pa so zaradi pospešenega širjenja vesolja - zaradi že omenjene skrivnostne temne energije.

Po izletu s potepuhi do skrivnostne temne snovi, celo temne energije pa se vrnimo k izviru - k opazovanjem, meritvam, kjer se je vse tudi začelo. Brez nadaljevanja opazovanj, meritev, raziskovanj tudi ne bi prišli do šokantnih preobratov zadnjih nekaj desetletij. Še v naši mladosti bi padli na izpitu, če bi trdili, da obstaja neka temna energija, ki pospešeno širi vesolje. Takrat je bila dogma, glede na takratno stopnjo meritev in analiz, da je bistvena za dinamiko našega sveta le gravitacija - teža.

Prva priložnost za opazovanje v mraku bo sredi februarja (Merkur se nekajkrat v letu pojavi v ugodni legi za opazovanja na zahodnem večernem nebu, enako velja za jutranje vzhodno nebo). Za konec pa še vabilo k rednemu spremljanju nočnega neba v leti 2020 in naprej Upamo - da nas je Kepler prepričal v to odločitev. Kot bomo spoznali na letošnjem večernem nebu in smo omenili že v januarski Spiki, bo prvi potepuh (Venera), ki ga bomo opazovali nekje do konca maja, najprej capljal vstran od Sonca, nato se bo premislil in odcapljal proti Soncu. Zdelo se bo, da se bo celo zaletel v Sonce (kdaj celo navidezno prečka Sonce). Enako se bo dogajalo z Merkurjem (rimskim bogom trgovine), s planetom, čigar orbita je najbližje Soncu. Kot lahko izvemo v prispevku Luvika Jevšenaka "Vnera v letu 2020" se bo 21. in 22. maja 2020 Venera zelo približala Merkurju. Merkur je manj svetel kot Venera in je zmeraj relativno nizko nad obzorjem, zato se moramo nekoliko bolj potruditi, da ga opazimo. Maja pa nam bo Venera odličen kažipot. Ne zamudite. Predvsem tisti, ki še nikoli niste videli Merkurja. Več o vidnosti Merkurja najdete v Spikinih efemeridah ali v knjigi "Glej jih zvezde! v letu 2020". Prihodnjič pa več o urniku potovanja po nebu za ostali tri, s prostim očesom vidne potepuhe v letu 2020.

Levo Fritz Zwicky (1898 – 1974), desno Vera Florence Cooper Rubin (1928 – 2016). To sta oče in mati temne snovi - in seveda tudi njuni sodelavci. Vera Rubin je tudi dopuščala možnost veljavnosti teorije MOND (Modificirana Newtonska dinamika - Modified Newtonian dynamics).

Zorko Vičar

29. jan. 2020