Z żaglem świetlnym co zrobimy?
W samym środku lata fundacja Planetary Society (założona 39 lat temu m.in. przez Carla Sagana) ogłosiła sukces swojego kosmicznego przedsięwzięcia, którym było umieszczenie na orbicie satelity LightSail 2 wyposażonego w słoneczny żagiel.
Ten stateczek (10 × 10 × 30 cm) rozpostarł – na dwóch bomach z kobaltowego stopu – płachtę z mylaru o powierzchni 32 m² (kawał żagla jak na taką łupinę!). W efekcie dzięki ciśnieniu słonecznych fotonów pojazd zaczął wydłużać swoją orbitę, mniej więcej o 900 m dziennie.
Ciśnienie wywierane przez fotony na wszelkiego rodzaju zwierciadła nie jest zbyt wielkie: na Ziemi, gdzie wszystko idzie opornie, nie wystarczy do wprawienia w ruch żadnego pojazdu. Ale w kosmosie przy braku oporu powietrza, wody i toczenia nawet ta mała siła może posłużyć za napęd. Fotony działają cierpliwie – jedynym warunkiem jest dostęp do silnego źródła światła.
Było już wcześniej wiele prób użycia kosmicznego żagla, lecz dotychczas tylko jedna się udała: misja japońska o kryptonimie IKAROS. Japończycy wysłali w kosmos statek znacznie większy niż LightSail (174 m żagla, 1,6 m średnicy kadłuba), ale nie należy zakładać, że z powodu rozmiarów łódź LightSail jest gorsza. Niektórzy uważają, że to właśnie małe stateczki będą w przyszłości badać dla nas przestrzeń kosmiczną. Weźmy na przykład wyprawę na najbliższy naszemu układ planetarny Alfa Centauri, oddalony o ponad 4 lata świetlne. Na razie jedyna sensowna propozycja wyprawy w tamte strony zakłada użycie maleńkich kosmicznych łodzi wyposażonych właśnie w świetlne żagle. Niestety, samo Słońce nie wystarczy, by taki stateczek odpowiednio rozpędzić na potrzeby międzygwiezdnej podróży (czyli do 15–20% prędkości światła). Trzeba by użyć laserów o łącznej mocy przynajmniej 100 GW. Z wielu powodów (choćby dlatego, że nie wiadomo, jak po osiągnięciu celu wehikuł wyhamować) taka wyprawa jest jeszcze daleko poza zasięgiem ludzkiej techniki, ale warto pamiętać: kosmiczne żagle to przyszłość i już teraz możemy zacząć pisać kosmiczne szanty, aby starczyło zwrotek na kilkadziesiąt lat międzygwiezdnej podróży:
Ze świetlnym żaglem co zrobimy?
Ze świetlnym żaglem co zrobimy?
Ze świetlnym żaglem co zrobimy,
gdy rozłożymy go?
Na Alfa Centauri polecimy,
Na Alfa Centauri polecimy,
Alfa, Beta i Proxima,
nic nie zatrzyma nas!
To nie jest wyścig zbrojeń
Ponad rok po tym, jak Donald Trump zapowiedział powołanie sił kosmicznych Stanów Zjednoczonych, podobną deklarację złożyli Francuzi. „Nie zamierzamy uczestniczyć w kosmicznym wyścigu zbrojeń. Przeprowadzimy jedynie uzasadnioną militaryzację” – oświadczyła minister obrony Florence Parly na konferencji w bazie lotniczej Mont Verdun koło Lyonu. W ramach „nieuczestniczenia w wyścigu zbrojeń” następna generacja francuskich satelitów komunikacyjnych Syracuse ma zostać wyposażona w działka maszynowe i lasery.
Księżycowy sekret
W okolicy południowego bieguna Księżyca znajduje się olbrzymi ślad po kosmicznym uderzeniu: Basen Biegun Południowy – Aitken. Obszar ten w większości jest niewidoczny z Ziemi, zresztą to, co jest tam najciekawsze, i tak tkwi ukryte 300 km pod powierzchnią. A co to takiego? Nie wiadomo. Wiemy tylko, że jest to znacznie cięższe niż przeciętna księżycowa skała. Tak ciężkie, że powoduje grawitacyjną anomalię, którą wprawne oko może dostrzec w wynikach badań sond GRAIL i Reconnaissance.
Peter B. James z Baylor University w Teksasie, który zauważył tę osobliwość, spekuluje, że jest to niklowo-żelazny rdzeń asteroidy, która 4 mld lat temu wbiła się w miękki płaszcz niewystygłego jeszcze satelity Ziemi. Ewentualnie może to być pozostałość wczesnoksiężycowego wulkanizmu.
Te wyjaśnienia brzmią uczenie i przekonująco, ale dopóki zagadka nie została w stu procentach rozwikłana, możemy pozwolić sobie na odrobinę fantazji. Zamknijmy oczy, wyobraźmy sobie Księżyc, jego drugą stronę i tam, pod powierzchnią, ukrytego coś wielkiego i ciężkiego. Co to może być?
O inspiracjach
Jako dziecko Arthur Eddington kochał patrzeć w nocne niebo, próbując policzyć gwiazdy.
Gdy dorósł, został astronomem – ale też matematykiem. Dzięki swoim matematycznym umiejętnościom był jednym z pierwszych astronomów, którzy pojęli myśl Einsteina.
W roku 1919 wyprawił się w rejs na Wyspę Książęcą w Zatoce Gwinejskiej, by obserwować zaćmienie Słońca. Dostarczył wtedy pierwszego empirycznego dowodu na prawdziwość ogólnej teorii względności – pokazał, że światło gwiazd zaginane jest przez grawitację Słońca.
Jeszcze w tym samym roku wykładu Eddingtona o teorii względności i wyprawie na Wyspę Książęcą wysłuchała 19-letnia Cecilia Payne. „Tak to zatrzęsło moim światem – wspominała potem – że przeżyłam coś na kształt nerwowego załamania”.
Załamanie szybko minęło – zostało silne postanowienie poświęcenia się astronomii.
Ponieważ jako kobieta Cecilia nie miała w Wielkiej Brytanii szans na karierę akademicką, wyjechała do Stanów Zjednoczonych, gdzie sprawa równouprawnienia kobiet miała się nieco lepiej.
Otrzymała stypendium na Harvardzie. W 1925 r. ogłosiła pracę, w której udowodniła, że gwiazdy składają się w przeważającej większości z wodoru oraz helu. Naukowcy byli wówczas przekonani, że skład chemiczny Słońca jest podobny jak Ziemi. Odrzucili wyniki Payne, choć nie byli w stanie wskazać w jej pracy żadnego błędu. Stwierdzili po prostu, że jest to fałsz i tyle. Dopiero cztery lata później przyznali rację Cecilii Payne.
O pokolenie młodsza od niej (i dwa pokolenia młodsza od Arthura) Joan Feynman dorastała w Nowym Jorku, w rodzinie aszkenazyjskich Żydów. Pewnej nocy obudził ją starszy brat Richard i powiedział, że musi jej coś pokazać. Była to zorza polarna nad Brooklynem.
Richard (który został potem fizykiem) podsycał w siostrze zainteresowania naukowe, ale matka i babcia przekonywały ją, że umysły kobiet nie radzą sobie z tego rodzaju problemami.
Joan natrafiła jednak w książce na badania Cecilii Payne-Gaposchkin. Wtedy pojęła, że umysły kobiet świetnie się do nauki nadają.
Poświęciła się zgłębianiu tajemnic zórz polarnych i to jej zawdzięczamy zrozumienie natury tego zjawiska – powstaje ono w efekcie działania wiatru słonecznego na magnetosferę ziemską.
A co do gwiazd, które próbował policzyć mały Arthur, dziś wiemy, że jest ich we wszechświecie przynajmniej kwadrylion (czyli jedynka z 24 zerami). Bezksiężycową nocą, przy czystym powietrzu, na bezchmurnym niebie widać ich około 4,5 tys. Choć w wielkich miastach sztucznego światła jest dziś tak dużo, że czasem dojrzeć ich można zaledwie kilkanaście.
Duchy w kosmosie
Chyba każdy przeżywa czasem takie chwile, gdy świat wydaje się nieciekawy i nieczarowny. Co wtedy robić? Można pomyśleć o neutrinach. Są to cząstki tycie, tyciutkie, których miliardy przelatują w każdej chwili przez nasze ciała z zawrotną, niemal świetlną prędkością. Bardzo rzadko wchodzą w interakcje z pozostałą materią, stąd nazywane bywają cząstkami duchami. Fruną poprzez nas, przez rośliny, rzeki, morza, góry, domy, fabryki i wiaty przystankowe zajęte swoimi, zapewne bardzo ważnymi, sprawami. I jest ich mnóstwo. Jedynie fotonów istnieje w kosmosie więcej niż neutrin, ale tylko nieznacznie więcej – o jakieś 20%. Znaczy to, że gdyby oko ludzkie było wrażliwe na neutrina, a nie na fotony, to i tak miałoby co oglądać. Nie zobaczyłoby wprawdzie roślin, rzek, gór i ruin zamków, lecz mogłoby rejestrować wybuchy gwiazd supernowych. Niektórym ludziom taka zamiana pewnie by się spodobała, choć w codziennym życiu byłaby raczej źródłem kłopotów. Dlatego cieszmy się z takich oczu, jakie mamy, a łapanie neutrin pozostawmy specjalistycznym obserwatoriom.
Obserwatoriów takich trochę już jest na świecie. Są to gigantyczne instrumenty – największy z nich, nazywany IceCube, znajduje się na biegunie południowym. Ponieważ dość szczegółowo opisywaliśmy tę składającą się głównie z lodu machinę w zeszłorocznym numerze jesiennym, teraz poświęcimy kilka słów kolejnemu kolosowi: obserwatorium DUNE, którego budowa zakończy się za osiem lat. Podobnie jak IceCube DUNE ma wychwytywać neutrina pochodzące z kosmosu, ale będzie to tylko jego zajęcie dodatkowe. Przede wszystkim DUNE będzie wytwarzać neutrina samo, a następnie badać je po tym, jak przelecą 1300 km poprzez skalny płaszcz Ziemi, z amerykańskiego stanu Illinois do Dakoty Południowej. Chodzi o to, żeby sprawdzić, jak podczas tej wycieczki neutrina się zmienią.
W drodze z Illinois do Dakoty neutrina mogą się przeistoczyć w sposób zasadniczy. Jest to ich cecha wyjątkowa i charakterystyczna – zmieniają się same z siebie, ot tak, bez żadnej zewnętrznej przyczyny. Wyróżniamy trzy rodzaje czy też, jak mówią fizycy, smaki neutrin: elektronowe, mionowe oraz taonowe. Wysłane z regionu Wielkich Jezior neutrino elektronowe może dolecieć na Wielkie Równiny jako neutrino taonowe lub mionowe. Zjawisko to znane jest jako oscylacja neutrin.
W sumie można się w tym doszukać pewnej logiki: zapewne, nie wchodząc w żadne relacje, neutrina z nudów bawią się same, przymierzając różne stroje podczas swych dalekich, samotnych podróży. Mają trzy przebrania i umilają sobie kosmiczną żeglugę, zmieniając je co jakiś czas.
Co wrażliwsze, poetyckie natury mogą w tym miejscu zadać pytanie: jakie są neutrina naprawdę? Co skrywa się pod tymi kostiumami, przywdziewanymi przez maleńkich, niestrudzonych międzygwiezdnych tułaczy? Proszę sobie wyobrazić, że wielu fizykom również nie daje spokoju ta kwestia. Aby wejrzeć w prawdziwą naturę neutrin, dokonali wielu obliczeń. I okazało się, że to nie jedno „prawdziwe” neutrino przywdziewa na przemian trzy kostiumy, ale są trzy rodzaje „prawdziwych” neutrin, które naukowcy nazwali m1, m2 i m3. I każdy z tych trzech rodzajów może objawić się instrumentom badawczym: a to jako neutrino mionowe, a to jako elektronowe lub taonowe.
Sprawy robią się więc coraz bardziej skomplikowane, bo pod ukrytym dla naszych oczu światem neutrin taonowych, mionowych i elektronowych mamy jeszcze skrzętniej zamaskowaną rzeczywistość neutrin m1, m2 i m3. Niejeden człowiek w takim momencie przerwałby dociekania, podejrzewając, że ta gra pozorów może się nigdy nie skończyć. Ale fizycy tak łatwo się nie poddają. Teraz, właśnie teraz – mówią z naciskiem – jesteśmy u progu rozwikłania wielkiej tajemnicy. Jeszcze jeden wysiłek, a neutrina przestaną grać z nami w ciuciubabkę i dozwolą nam wejrzeć głęboko w fundamentalną strukturę rzeczywistości.
Jakież to sekrety fizycy chcą z neutrin wycisnąć? Otóż sprawa przedstawia się tak: neutrina m1, m2 i m3 mają różną masę. To wiadomo. Nie wiadomo natomiast, które jest najcięższe, które najlżejsze, a które średnie. Są tu możliwe dwie opcje. Wedle jednej z nich m3 jest najcięższe, a m2 i m1 znacznie od niego lżejsze. Wedle drugiej zaś m3 jest najlżejsze, a m1 i m2 dużo od niego cięższe.
To, która z tych możliwości okaże się prawdziwa, ma dla rozwoju fizyki niebagatelne znaczenie. Gdyby na przykład sprawdził się drugi scenariusz, oznaczałoby to, że neutrino może być swoją własną antycząstką, co mogłoby wyjaśnić, czemu we wszechświecie jest znacznie więcej materii niż antymaterii. Zwycięstwo pierwszej opcji też miałoby ciekawe konsekwencje, bo ułatwiłoby robotę fizykom pracującym nad znalezieniem wspólnego źródła wszystkich oddziaływań podstawowych, których znamy cztery (silne, słabe, elektromagnetyczne i grawitacyjne).
Widzimy tu, że aspołeczne i chimeryczne neutrina mogą skrywać klucz do ważnych tajemnic wszechświata. Nic dziwnego, że naukowcy tak bardzo chcą im się dobrać do skóry, orzec, które cięższe, które lżejsze i co z tego wynika.
My jednak, którzy neutrin nie badamy i niczego od nich nie chcemy, możemy myśleć o nich zupełnie bezinteresownie. Każdej sekundy przez nasze ciała przelatują ich miliardy. Przelatują przez nas jak przez pustkę, jesteśmy dla nich jak duchy – czy to nie wspaniałe?
Czytaj również:
