Książka po raz pierwszy opublikowana w Wielkiej Brytanii w 2020 roku przez Bloomsbury, Bloomsbury Sigma

Tytuł oryginału: First Light. Switching on stars at the dawn of time

Przekład: Jolanta Sawicka

Konsultacja: Mateusz Sobiecki

Redaktor prowadzący: Bożena Zasieczna

Redakcja techniczna: Sylwia Rogowska-Kusz

Skład wersji elektronicznej: Robert Fritzkowski

Korekta: Monika Marczyk, Kacper Kaczmarczyk/Słowne Babki

Źródła zdjęć i rysunków na kolorowej wkładce: P. 1: © NASA/Aubrey Gemignani (t); © Howard Butler (c); © Capella Observatory (optical), with radio data from Ilana Feain, Tim Cornwell, and Ron Ekers (CSIRO/ATNF), R. Morganti (ASTRON), and N. Junkes (MPIfR) (b). P. 2: © ESO (t); © NASA/JPL-Caltech (b). P. 3: © Emma Chapman (tr); © Mattis Magg/2020; © N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF (cr); © Emma Chapman (b). P. 4 © Clark et al. 2011. Science (t); Artwork © Katie Paterson, photo © Manu Palomeque (c). P. 5: © ESA and the Planck Collaboration (c); © Emma Chapman (b). P. 6: © Dylan Nelson/Illustris Collaboration (t); ©NASA, ESA, and S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team (b). P. 7: © EHT Collaboration (t); ©NASA, H. Fort (JHU), G. Illingworth (USCS/LO), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI), the ACS Science Team, and ESA (tc); © NASA/European Space Agency (bc); © Northrop Grumman (b). P. 8: © Michael Goh and ICRAR/Curtin. Inset image of a single antenna © ICRAR (t); © Emma Chapman (c); ©Richard Porcas/1988 (b).

Skróty oznaczają: p – strona, t – u góry, b – na dole; l – po lewej, r – po prawej, c – w środku

Liczby w indeksie górnym w tekście odnoszą się do pozycji w przypisach końcowych

© Emma Chapman, 2021

© for the Polish edition by MUZA SA, Warszawa 2021

This translation is published by Muza SA by arrangement with Bloomsbury Publishing Plc and Macadamia Literary Agency, Warsaw

Wszelkie prawa zastrzeżone.

Żadna część niniejszej publikacji nie może być reprodukowana, przechowywana jako źródło danych i przekazywana w jakiejkolwiek formie zapisu bez pisemnej zgody posiadacza praw.

ISBN 978-83-287-1716-9

MUZA SA

Wydanie I

Warszawa 2021

fragment

Lyrze, Cassie i Olive.

Nie przestawajcie zadawać pytań.

• WPROWADZENIE

Nauczcie mnie swego nastroju, o cierpliwe gwiazdy!

Które wspinacie się każdej nocy na pradawne niebo,

Nie zostawiając w przestrzeni żadnego cienia, żadnych blizn,

Żadnego śladu wieku, żadnego strachu przed śmiercią.

Ralph Waldo Emmerson

W epoce, w której mamy do dyspozycji zderzacze cząstek i teleskopy kosmiczne, trudno wyobrazić sobie czasy, kiedy największe problemy kosmosu rozwiązywało się, patrząc po prostu w górę. A zatem spójrzmy na nocne niebo. Co widzimy? Jeżeli mamy szczęście i mieszkamy na obszarze, gdzie zanieczyszczenie świetlne jest niewielkie, może uda się nam zobaczyć rozciągającą się na niebie smugę Drogi Mlecznej. Albo może Księżyc w pełni. Jednak, najogólniej biorąc, cechą podstawową nocnego nieba jest jego ciemność. Dlaczego? Krótkie, ale jakże ważne pytanie.

Od dawien dawna zastanawiali się nad tym filozofowie przyrody, fizycy, astronomowie, a nawet poeci. Dlaczego niebo jest ciemne? Wszechświat uważano za nieskończenie stary i nieskończenie wielki, ponieważ nie było żadnych dowodów, że może być inaczej. Paradoks Olbersa (nazwany tak od nazwiska niemieckiego astronoma Heinricha Wilhelma Olbersa, który go sformułował) mówi, że jeżeli Wszechświat jest nieskończenie stary i statyczny, to nasz wzrok, bez względu na to, w jakim kierunku go zwrócimy, zawsze powinien napotkać jakąś gwiazdę. Problem pobudził wyobraźnię wielu ludzi, a do dyskusji włączył się nawet Edgar Allan Poe, przedstawiając swoje stanowisko w eseju z 1848 roku zatytułowanym Eureka: „Gdyby sukcesja gwiazd nie miała końca, wtedy tło nieba prezentowałoby nam jednorodną jasność, niczym ta demonstrowana przez Galaktykę – gdyż nie byłoby absolutnie żadnego punktu, w całym tym tle, w którym nie istniałaby gwiazda” (Galaktyka pisana przez duże „G” to nasza galaktyka, czyli Droga Mleczna – przyp. tłum.).

A zatem niebo, na całej swojej powierzchni, powinno być równie jasne jak Słońce. Ale tak nie jest. To nieprawda, ponieważ gdyby tak było, nie potrzebowalibyśmy oświetlenia ulicznego. Tak więc od wielu pokoleń zastanawiamy się, co sprawia, że niebo jest ciemne. Aby odrzucić paradoks, trzeba odrzucić założenia. W tym wypadku oba założenia, zarówno o nieskończonym wieku, jak i o nieruchomości Wszechświata, są nieprawidłowe. Nasz Wszechświat narodził się w Wielkim Wybuchu, co zainicjowało ekspansję czasoprzestrzeni. W jednej chwili Wielki Wybuch dał Wszechświatowi początek (co oznacza, że nie jest on nieskończenie stary) i kazał mu się rozszerzać (czyli się poruszać). Umiemy wyjaśnić paradoks, ponieważ wiemy, że chociaż od Wielkiego Wybuchu minęło już 14 mld lat, nie narodziło się tyle gwiazd, aby nasz wzrok zawsze jakąś napotykał. Nawet na najgłębiej sięgających zdjęciach wykonanych przez kosmiczny teleskop Hubble’a widzimy, że galaktyki stanowią tylko niewielki ułamek obrazu, a każda galaktyka ma miliardy gwiazd. Odrzucenie założenia, zgodnie z którym Wszechświat jest nieskończenie stary, ma daleko idące konsekwencje. Wszechświat miał początek. Nie dość powiedzieć, że pojawiły się gwiazdy – były pierwsze gwiazdy, a potem jeszcze drugie i trzecie ich pokolenie. To, czego doświadczamy obecnie, jest zaledwie etapem życia znacznie większego kosmologicznego bytu (rys. 1). Możemy z zadowoleniem stwierdzić, że życie to rozumiemy całkiem nieźle. Obserwujemy młode i stare gwiazdy, galaktyki zarówno pradawne, jak i świeżo uformowane. Żyjemy w czasach z bezprecedensowym dostępem do Wszechświata i jego historii, a nasza zdolność do wypełniania luk w wiedzy rośnie w zawrotnym tempie. Astronomia rozszerzyła swój zasięg – od zaspokajania potrzeb życia społecznego w cywilizacjach starożytnych, przez interesujące, acz osobliwe hobby ludzi bogatych, po egzystencjalny przekaz naukowy dla mas. Stała się codziennym elementem naszego życia do tego stopnia, że podczas gdy dawniej świętowaliśmy odkrywanie nowych gwiazd i nowych galaktyk, obecnie nawet odkrycie nowej planety wywołuje jedynie niewielkie poruszenie. Rozumiemy życie naszego Wszechświata, znamy historię jego narodzin, ogarniamy rozumem Wielki Wybuch. Mamy mnóstwo danych… ale to wciąż za mało. Mimo gwałtownego rozwoju techniki i ogromnego postępu jest w historii naszego Wszechświata okres, o którym jeszcze niedawno absolutnie nic nie wiedzieliśmy, którego obserwacji dokonaliśmy dopiero w ciągu ostatnich kilku lat. Od 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu do około 1 mld lat po nim we Wszechświecie trwała epoka zwana wiekami ciemnymi. Pierwsze gwiazdy narodziły się niespełna 200 mln lat po Wielkim Wybuchu. Do tego czasu Wszechświat był ciemny i pusty, aż wreszcie zadudniło, zagrzmiało i rozgorzała pierwsza gwiazda. Uruchomił się łańcuch wewnętrznych reakcji jądrowych, emitując światło i ciepło do otaczającego ją jałowego pustkowia. Zapaliła się kolejna, a potem jeszcze jedna, aż wreszcie gwiazdy upstrzyły niebo i tak oto stała się światłość. Na tym wczesnym etapie planety jeszcze nie istniały, nie było więc wokoło nikogo, kto mógłby być świadkiem tej inicjalnej gwiezdnej eksplozji, ani też nikogo, kto mógłby opłakiwać niemal natychmiastową śmierć najstarszych gwiazd. Kiedy ukształtowała się druga populacja gwiazd, pierwsze pokolenie zostało szybko zapomniane, jednak to przede wszystkim jego ingerencja przygotowała Wszechświat na ogromną różnorodność strukturalną i rozmaite formy życia, jakie obserwujemy dziś. Brak obserwacji dotyczących ery pierwszych gwiazd jest dla astrofizyka niepokojący z dwóch powodów.

Rys. 1. Brakuje nam danych za okres od około 380 tys. lat po Wielkim Wybuchu do 1 mld lat po tym wydarzeniu

1. Niekompletne dane prowadzą do niewłaściwych wniosków

Zacznijmy od tego, że brak danych na taką skalę ma naprawdę istotne znaczenie. Pominięcie danych jest powodem do niepokoju w każdej sytuacji, gdyż to właśnie na ich podstawie podejmujemy decyzje i przyjmujemy określony sposób rozumowania. Brak danych może prowadzić do niepewności i nieporozumień lub błędów. Wyobraźmy sobie, że obcy z Andromedy, sąsiadującej z nami galaktyki, chcą poznać cykl życia ludzkiego. Jeżeli nasi kosmiczni badacze przypominają badaczy z naszej planety, to są przepracowani i uzależnieni od kaprysów finansujących ich agencji dostarczających pieniądze i wyznaczających czas na badania. Nasi kosmici nie mają aż tyle środków finansowych, aby móc przez 30 lat zbierać dane, obserwując istoty ludzkie na całej Ziemi. Robią więc to, co robią wszyscy naukowcy, badając wielkie populacje: pobierają próbkę. Mogą zrobić zdjęcie, powiedzmy, w żłobku albo w domu opieki, albo na plaży w Australii, albo przyjrzeć się kasynom w Las Vegas. Jeżeli nasi obcy odczuwają skutki ostatnich cięć wydatków budżetowych na badania naukowe, mogą zdecydować się na obserwację tylko jednego miejsca, wybierając losowo na przykład kolejkę do Space Mountain w parku rozrywki Disney World. Gromadzą swoje dane i odchodzą nieświadomi, że pobierając tę właśnie próbkę, pominęli rozległy segment społeczeństwa, a mianowicie kobiety ciężarne i osoby w wieku poniżej siedmiu lat. Niefortunnie dla naszych kosmitów z niekompletnymi danymi wiążą się często niewłaściwe wnioski. Bez analizy wspomnianych części społeczeństwa trudno zrozumieć cykl życia ludzkiego, łatwo natomiast obrać zły kierunek. Być może podczas pobieżnego przeglądu literatury kosmiczni badacze natrafią na opowieść o tym, że dzieci przynosi bocian, i zakrzykną „Eureka!”, ponieważ będzie się to w wystarczającym stopniu wpasowywało w posiadane przez nich dane. Ups! Niekompletne dane? Niewłaściwe wnioski.

Przyjmując ludzką perspektywę, należałoby powiedzieć, że brak danych kosmologicznych z epoki ciemności jest równoznaczny z brakiem jakichkolwiek informacji o człowieku od momentu poczęcia do pierwszego dnia szkoły, może z wyjątkiem jednego USG. To wprawdzie mały wycinek czasu w porównaniu z całym życiem, ale kiedy zastanowimy się nad tym, jak istotne są te wczesne lata dla kształtowania osobowości człowieka, nic dziwnego, że astrofizycy drżą na myśl o tym, że brakuje tak dużo danych, gdy chodzi o historię Wszechświata. Do jakich niewłaściwych wniosków dochodzimy z powodu tych niekompletnych danych? Które konkluzje o otaczających nas gwiazdach lub o tym, jak obecnie funkcjonuje Wszechświat, są błędne?

Brak danych o wiekach ciemnych niepokoi astrofizyków z jeszcze jednego powodu.

2. Epoka pierwszych gwiazd jest niepowtarzalna

Pierwsze gwiazdy nie są pierwszym wydaniem Harry’ego Pottera, tą samą historią, tyle że wydrukowaną na starszym papierze. Pierwsza gwiazda to gatunek sam w sobie, brakujące ogniwo, forma być może już całkowicie wymarła. Ale przecież chyba każda gwiazda jest taka sama jak pozostałe. A w końcu jedna z nich znajduje się całkiem blisko i zaoszczędzilibyśmy sobie mnóstwa wysiłku, gdyby wystarczyło ją właśnie zbadać. Spoglądając na nocne niebo, widzimy tylko kilka tysięcy z kilkuset miliardów gwiazd należących do Drogi Mlecznej. Dla naszego Wszechświata Słońce jest gwiazdą niczym szczególnym się niewyróżniającą. A nawet gdyby się wyróżniało, to dokonując uogólnień na temat wszystkich gwiazd na podstawie obserwacji gwiazdy nam najbliższej, moglibyśmy przyrównać się do istot pozaziemskich, które przyglądałyby się tylko jednemu, przypadkowo wybranemu człowiekowi i opierając się na takiej analizie, przyjęłyby, że cała ludzka populacja nazywa się Elvis, ma 180 cm wzrostu i uwielbia kanapki z masłem orzechowym. Dopiero w ostatnich 250 latach zrozumieliśmy, że nie wszystkie gwiazdy są takie jak Słońce (w rzeczywistości zwykle się od niego różnią).

Gwiazdy są zbudowane głównie z wodoru i helu, ale możemy podzielić je na trzy populacje, biorąc pod uwagę zawartość metali, z których są zbudowane. W astronomii, mówiąc o metalach, nie myślimy wyłącznie o złocie, srebrze, platynie itp. We Wszechświecie występuje mnóstwo pierwiastków, ale dominują wodór i hel. Z tego powodu, a także dlatego że astrofizycy przyzwyczaili się do zaokrąglania liczb wyrażających odległości astronomiczne i długości okresów na ogromnej skali czasowej, zaokrągliliśmy również układ okresowy pierwiastków. Ponieważ jestem astrofizykiem, wszystkie pierwiastki chemiczne poza wodorem i helem będę w tej książce nazywać metalami. Dla jasności na rys. 2 przedstawiam układ okresowy pierwiastków widziany z perspektywy astrofizyka, nałożony na tradycyjny układ okresowy chemika.

Rys. 2. Znany z chemii układ okresowy pierwiastków, na który został nałożony układ okresowy przystosowany do potrzeb astrofizyka

Wróćmy do populacji gwiazdowych. Kiedy zrodził się Wszechświat, wypełniały go w przeważającej mierze wodór i hel. Wszystko, co cięższe od tych dwóch pierwiastków, musiało dopiero zostać stworzone w gorących piecach gwiazd lub podczas wyzwalających ogromne ilości energii wybuchów kończących ich życie. Z każdym pokoleniem gwiazd gaz stawał się gęściejszy, miał w swoim składzie coraz więcej metali i, co za tym idzie, gwiazdy kolejnych generacji, które formowały się z tego gazu, również zawierały odpowiednio więcej metali. Ostatnia generacja, tak zwane gwiazdy I populacji, to młode gwiazdy bogate w metale. Są jasne, gorące i wiodą swe życie w dyskach galaktycznych. Gwiazdy II populacji są starsze i uboższe w metale. Rezydują w centrum galaktyki nazywanym zgrubieniem centralnym lub w halo galaktycznym. Nie trzeba wielkiej wyobraźni, aby podążając dalej tą drogą, zapytać, co z gwiazdami najstarszymi. Z gwiazdami, które nie zawierały absolutnie żadnych metali, z gwiazdami, od których wszystko się zaczęło. Gdzie one są? Pierwsze gwiazdy wytworzyły pierwsze metale, rozsiewając je po Wszechświecie i umożliwiając zagęszczanie materii i formowanie galaktyk. Te pierwsze gwiazdy wolne od metali nazywamy gwiazdami III populacji[1].

Gwiazdy III populacji to prastare bestie gigantycznych rozmiarów, o masie nawet kilkaset razy większej od masy naszego Słońca. Ewoluowały bardzo szybko, żyły zaledwie kilka milionów lat, czyli krótko w porównaniu z gwiazdami mniej masywnymi, takimi jak Słońce, których czas życia może wynosić nawet 10 mld lat. W antropologii taka różnica w długości życia oznaczałaby, że musiałby istnieć gatunek wczesnych humanoidów, które umierały zaledwie trzy dni po urodzeniu. Jednak to właśnie te gwiazdy, mimo krótkotrwałości ich egzystencji, zaważyły na losach Wszechświata. Budząc się do życia, rozświetliły go, opromieniły, a potem rozsiały po nim metale, które mogły następnie uformować gwiazdy, planety i nas.

• • •

koniec darmowego fragmentu
zapraszamy do zakupu pełnej wersji

[1] Sprzeczny z intuicją porządek numeryczny tych populacji jest efektem kolejności ich odkrywania i grupowania. Uwaga! Przypisy, jeżeli nie zaznaczono inaczej, pochodzą od autorki.

Warszawskie Wydawnictwo Literackie

MUZA SA

ul. Sienna 73

00-833 Warszawa

tel. +4822 6211775

e-mail: info@muza.com.pl

Księgarnia internetowa: www.muza.com.pl

Wersja elektroniczna: MAGRAF s.c., Bydgoszcz