Andromeda – Od mgławicy do galaktyki

Słowo galaktyka wywodzi się od greckiego słowa galaxias oznaczającego mleczny, które było starożytnym greckim określeniem Drogi Mlecznej – niewyraźnego pasma gwiazd widocznego na nocnym niebie w obszarach, które nie cierpią z powodu zbyt dużego zanieczyszczenia światłem. Obecnie galaktyka jest używana jako ogólny termin dla bardzo dużych grup gwiazd rozproszonych po całym wszechświecie. Obecne szacunki dotyczące całkowitej liczby galaktyk wahają się od 2×1011 do 2×1012 lub nawet więcej. W obliczu tych ogromnych liczb łatwo jest zapomnieć, że jeszcze niecałe sto lat temu myśleliśmy, że nasza galaktyka, Droga Mleczna, jest całym wszechświatem. Zmieniło się to 1 stycznia 1925 r., gdy H.N. Russell odczytał przed Amerykańskim Stowarzyszeniem na rzecz Postępu Nauki referat Edwina Hubble’a, w którym stwierdzono, że mgławice spiralne są w rzeczywistości oddzielnymi galaktykami. Droga przez historię astronomii prowadząca do tego epokowego referatu w 1925 roku sięga prawie tysiąca lat wstecz i w tym, co następuje, pokrótce przedstawię niektóre z ważnych stacji, z których prawie wszystkie dotyczą naszego najbliższego galaktycznego sąsiada Andromedy, wzdłuż tej drogi.

Słowo mgławica pochodzi z łaciny i oznacza chmurę, mgłę, dym, opary, wydech, jak widać definicja jest dość mgławicowa. W astronomii można ją odnaleźć w Mathēmatikē Syntaxis Ptolemaeusa lub, jak się bardziej powszechnie uważa, w Almageście. W tym fundamentalnym dla zachodniej astronomii dziele Ptolemeusz wymienia w sumie sześć mgławic astronomicznych, nie poświęcając im większej uwagi. Wszystkie mgławice Ptolemeusza były w rzeczywistości niewyraźnymi gromadami gwiazd, które znajdowały się zbyt daleko, by można je było dostrzec gołym okiem. Pierwsza tak zwana prawdziwa mgławica, Mgławica Andromedy, została opisana przez perskiego astronoma Abd al-Rahmana al-Sufi, zwanego Al Sufi, w jego Księdze Gwiazd Stałych (arabski: kitab suwar al-kawakib) około roku 964 CE. Opisał on i zilustrował mgławicę Andromeda jako mały obłok przed ujściem arabskiego gwiazdozbioru Ryby.

Wśród innych wczesnych obserwacji teleskopowych Galileusz pokazał, że mgławice Ptolemeusza rozpadały się na wiele niewidocznych gwiazd, gdy były oglądane przez teleskop. Jednak w 1612 roku teleskopowy rywal Galileusza, Simon Marius, po raz pierwszy skierował swój teleskop na mgławicę Andromeda i zobaczył, że nie układa się ona w gwiazdy, gdy patrzy się na nią przez jego teleskop. W swoim Mundus Iovialis (1614) Marius opisał to, co zobaczył w następujący sposób:

Pośród nich pierwsze jest to, że za pomocą okularu szpiegowskiego, od 15 grudnia 1612 roku odkryłem i obserwowałem gwiazdę stałą o pewnym wspaniałym kształcie, której nie mogę znaleźć na całym niebie. Znajduje się ona w pobliżu trzeciej i najbardziej wysuniętej na północ w pasie Andromedy. Bez instrumentu jest ona widziana jako jakaś mała chmurka; a z instrumentem nie widać żadnych wyraźnych gwiazd, jak w przypadku gwiazdy mgławicowej w Raku i innych gwiazd mgławicowych, lecz raczej tylko białe promienie, które im bliżej środka, tym jaśniejsze wychodzą; w środku jest matowe i blade światło, a jego średnica wynosi około ćwierć stopnia. Mniej więcej taki sam blask pojawia się, gdy jasna świeca jest obserwowana przez czystą latarnię z dużej odległości.

Badania nad mgławicami pojawiły się najpierw w XVIII wieku wraz z pracami francuskiego łowcy komet Charlesa Messiera (1730-1817). Aby ułatwić łowcom komet odróżnienie potencjalnych obserwacji komet od innych niewyraźnych i mgławicowych obiektów na nocnym niebie, Messier zaczął sporządzać katalog pozycji i wyglądu wszystkich takich obiektów, które wykrył podczas swoich nocnych czuwań. Jego praca, której ostateczna wersja została opublikowana w 1781 roku i jest obecnie znana jako Katalog Messiera, zawiera listę 110 obiektów Messiera, w swoim czasie mgławic i gromad gwiazd. Obecnie wiadomo, że obiekty Messiera to 39 galaktyk, 5 mgławic planetarnych, 7 innych typów mgławic i 55 gromad gwiazd. Mgławica Andromedy, której odkrycie Messier, nie znając książki Al Sufiego, fałszywie przypisuje Mariusowi, to obiekt Messiera M31.

Chociaż katalog Messiera został skompilowany, aby pomóc łowcom komet w odróżnianiu potencjalnych komet od innych słabych obiektów niebieskich, jest on zazwyczaj uważany za wczesny przykład tak zwanej astronomii głębokiego nieba; czyli badania obiektów znajdujących się daleko poza Układem Słonecznym. Człowiekiem, który jako pierwszy uprawiał systematycznie astronomię głębokiego nieba był William Herschel, który wraz ze swoją siostrą Caroline metodycznie mapował niebo kwadrant po kwadrancie, rejestrując za pomocą 20-stopowego teleskopu odbijającego wszystkie obiekty niegwiazdowe, jakie udało mu się znaleźć. Caroline i on zarejestrowali 2400 mgławic w trzech katalogach.

Zaklasyfikowali oni zarejestrowane przez siebie obiekty do ośmiu klas: (I) jasne mgławice, (II) słabe mgławice, (III) bardzo słabe mgławice, (IV) mgławice planetarne, (V) bardzo duże mgławice, (VI) bardzo ściśnięte i bogate gromady gwiazd, (VII) ściśnięte gromady małych i dużych gwiazd oraz (VIII) grubo rozrzucone gromady gwiazd. Rozszerzony przez jego syna, a później Johna Dreyera, katalog Herschela stał się w 1888 roku Nowym Katalogiem Ogólnym (NGC) obejmującym 7840 obiektów głębokiego nieba. Numeracja NGC jest nadal używana dla większości obiektów w nim zapisanych. W 1785 roku Herschel zaobserwował słaby czerwonawy odcień w rejonie jądra Andromedy. Uważał, że Andromeda jest najbliższą z wielkich mgławic.

W 1750 roku angielski astronom Thomas Wright (1711-1786) opublikował swoją An Original Theory on New Hypothesis of the Universe, w której jako pierwszy poprawnie opisał kształt Galaktyki Drogi Mlecznej. Spekulował również, że słabe mgławice są w rzeczywistości odległymi galaktykami. Jego bardzo przenikliwe myśli pozostały jednak spekulacjami, których nie był w stanie zweryfikować.

Co ciekawe, jego spekulacje zostały podjęte przez niemieckiego filozofa Immanuela Kanta (1724-1804) i rozwinięte w jego anonimowo wydanej Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels (Uniwersalna historia naturalna i teoria nieba) (1755). W tamtym czasie ani teorie Wrighta, ani Kanta nie cieszyły się dużym zaufaniem, ale z perspektywy czasu obie były chwalone za swoją spostrzegawczość.

W 1850 roku William Parsons, używając największego teleskopu odbijającego skonstruowanego w XIX wieku Lewiatana z Parsonstown, był w stanie po raz pierwszy zidentyfikować spiralną strukturę mgławicy Andromeda. Był to tylko jeden z serii mgławic spiralnych, w rzeczywistości galaktyk, które udało mu się zidentyfikować.

W 1864 roku William Huggins, pionier w dziedzinie spektroskopii gwiazdowej, zauważył, że widmo Andromedy różni się od widma mgławicy gazowej. Widmo, zaobserwowane przez Hugginsa, miało takie same cechy jak widmo pojedynczych gwiazd, co doprowadziło go do wniosku, że Andromeda w rzeczywistości ma naturę gwiezdną.

Od pierwszego zapisu Al Sufiego o małej chmurce przeszliśmy już długą drogę. W 1887 roku Isaac Roberts, który uważał, że mgławice spiralne to układy słoneczne w procesie formowania się, wykonał pierwsze w historii zdjęcie Andromedy.

W 1912 roku amerykański astronom, Vesto Slipher, zmierzył prędkość obrotową Andromedy za pomocą spektroskopii na 300kilometrów na sekundę najwyższą dotychczas zmierzoną prędkość.

W 1917 roku Heber Curtis zaobserwował nowę w Andromedzie i odkrył jedenaście kolejnych w zapisie fotograficznym. Były one średnio o dziesięć magnitudo słabsze od innych obserwowanych na niebie. W oparciu o te dane oszacował, że Andromeda była odległa o 500 000 lat świetlnych. Curtis zaproponował teraz hipotezę wszechświatów wyspowych, tzn. mgławice spiralne są w rzeczywistości niezależnymi galaktykami.

Dnia 26 kwietnia 1920 roku Heber Curtis i Harlow Shapley przeprowadzili w Smithsonian Museum of Natural History tzw. wielką debatę na temat natury mgławic spiralnych. Curtis twierdził, że były one odległe niezależne galaktyki, Shapley, że były one znacznie mniejsze i znacznie blisko, a zatem w ramach galaktyki Drogi Mlecznej, która była cały wszechświat. Debata ta podniosła pytanie do kwestii priorytetowej w astronomii.

W 1922 roku Ernst Öpik zmierzył odległość Andromedy za pomocą prędkości gwiazd. Jego szacunek wynosił 1 500 00 lat świetlnych.

Jak powiedziałem w akapicie otwierającym Edwin Hubble ostatecznie rozstrzygnął materię, gdy zmierzył odległość Andromedy przy użyciu gwiazd zmiennych Cefeid i udowodnił niezbicie, że Andromeda nie była mgławicą wewnątrz Drogi Mlecznej, lecz oddzielną galaktyką. Dzięki temu wynikowi narodziła się era astronomii galaktycznej.

Of interest the method of determining distances using Cepheids was developed by Henrietta Swan Leavitt, one of the Harvard computers, investigating thousands of variable stars in the Magellanic Clouds in 1908; she published her results in 1912.

Opowieść o historycznej podróży Andromedy od mgławicy Al Sufiego do galaktyki Curtisa bardzo ładnie ilustruje, jak wiedza naukowa rośnie w czasie z pokoleniami badaczy o różnych zainteresowaniach i motywacjach przyczyniających się bezpośrednio i pośrednio do tego wzrostu.

Post zmieniony 11 stycznia 2018

.