Tanec tří těles a hra stínů
když se to na první pohled možná nemusí zdát, tak zatmění Slunce i Měsíce jsou příbuzné úkazy. A to dokonce nevýlučně. Oba totiž souvisí jen se třemi tělesy sluneční soustavy: se Zemí, Měsícem a především se Sluncem.
I
Slunce: bouřlivý a žhavý plynný magnet Kdybychom si Slunce měli opravdu stručně představit, tak je to hvězda s věkem asi 5 miliard let a ve svém nitru produkující energii při jaderné přeměně vodíku na helium. Slunce leží na okraji jednoho z ramen velké Galaxie, jejíž viditelná část na tmavém nebi je známa jako Mléčná dráha. Tu můžeme spatřit hlavně v létě a na podzim jako stříbrný pás táhnoucí se přes celou oblohu. Čítá několik set miliard hvězd, které tvoří různé hvězdné soustavy a ostrůvky. Oproti mnoha jiným hvězdám v Galaxii není Slunce souputníkem jiných hvězd, ale společnost mu dělají planety. Jak se však v posledních letech ukazuje, minimálně v naší Galaxii, patrně však i ve zbytku vesmíru nejsou hvězdy obklopené planetami až takovou vzácností. Slunce je ve sluneční soustavě rozměrově zcela dominantní. Váží 2×1030 kg (asi 333 000 Zemí) a měří asi 1,4 milionu kilometrů v průměru. Očima se na Slunce přímo dívat nemůžeme. Je příliš oslnivé a mohlo by nám poškodit zrak. V jeho nitru panují teploty okolo 15 milionů Kelvinů a na jeho povrchu 5 780 Kelvinů. To, co nás při přímém pohledu tolik oslňuje, je sluneční fotosféra – ve viditelném světle nejzářivější část sluneční atmosféry. Slunce si na jeho povrchu můžeme představit trochu jako cibuli. Kdybychom je rozkrojili, bude obsahovat několik vrstev odlišujících se navzájem chemicko-fyzikálními vlastnostmi. O tom, jak zhruba se Slunce chová, jsme byli schopni již asi 4 století doložit pozorováním sluneční aktivity z výskytu tmavých slunečních skvrn. Jsou to chladnější místa na Slunci s lokálním magnetickým polem, které zabraňuje proudění žhavého plazmatu k viditelnému slunečnímu povrchu. Toto žhavé plazma je nositelem tepla z nitra a vytváří jakési přibližně 1 000 kilometrů hluboké pánve, jež pozorujeme jako skvrny. Teplota ve skvrnách je sice menší než ve fotosféře, ale i tak se pohybuje okolo 4 500 Kelvinů. Teprve družice SOHO, kterou v roce 1995 společně vypustily Evropská a Americká agentura pro výzkum vesmíru a kosmonautiku (ESA a NASA), začala systematicky a prakticky nonstop sledovat tváře našeho Slunce. Ve vyšším rozlišení a s dalšími filtry jsme na sluneční tvář pohlédli skrze družici SDO (Solar Dynamic observatory) v roce 2010. Díky družicím jsme získali odpovědi na mnohé otázky, které jsme při pozorování Slunce pozemskými dalekohledy nemohli zodpovědět. Vyvstaly však otázky nové. Staré i nové fyzikální modely nám Slunce představily jako obrovský rotující magnet, který každých přibližně 11 let mění svou bouřlivou elektromagnetickou aktivitu z minima na maximum a zpět. Tento jedenáctiletý cyklus poprvé popsal v roce 1843 německý astronom Heinrich Schwabe (1789–1875) jako vedlejší výsledek svého marného pátrání po tajemné planetě Vulkán. Sledoval sluneční disk a ve slepé víře, že se mu na něm zobrazí tmavý kotouček neznámé planety, zaznamenával právě sluneční skvrny. Fascinoval tím Johannese RudolfaWolfa (1816– 1893), švýcarského astronoma a tehdejšího ředitele hvězdárny v Bernu, který prakticky hned poté vyvinul statistickou metodu pozorování počtu skvrn a jejich skupin a začal s ní od roku
34
Slunce: bouřlivý a žhavý plynný magnet
Sluneční skvrny na okraji naší hvězdy. Ačkoliv pouhýma očima je spatříme jako malé flíčky na tváři Slunce, rozměrově přesahují Zemi i několikanásobně. Malé bublinky na povrchu Slunce jsou tzv. granulací – konvektivním prouděním žhavého plazmatu na viditelný sluneční povrch. Foto: SDO, GSFC/NASA.
1848 sluneční aktivitu pozorovat soustavně. S takzvaným Wolfovým relativním číslem se počet slunečních skvrn vyhodnocuje dodnes. V průběhu cyklu se prakticky klidné Slunce postupně osívá tmavými skvrnami zpravidla ve dvou slunečních rovnoběžkách. Každá z obou rovnoběžek je na opačné straně od slunečního rovníku a v prakticky identické sluneční šířce. Skvrny se začínají na počátku cyklu objevovat mezi póly a rovníkem (zpravidla mezi 30. a 40. stupněm sluneční šířky na jihu i severu) a postupně se blíží k rovníku, kde ke konci cyklu jejich počet rychle klesá. Výskyt skvrn souvisí s rozdílnou rychlostí rotace Slunce na pólech vůči rovníku, přičemž globální magnetické pole Slunce je tímto nepoměrem postupně nuceno změnit se z relativně jednoduchého dipólu do velmi složitých struktur. Při této změně dochází k nejčastějšímu uvolňování energie prostřednictvím silných slunečních erupcí, neboť siločáry magnetických polí se často kříží – zejména v oblastech slunečních skvrn – a energie uvězněná v těchto přerušených a vzápětí uzavřených magnetických polích může prakticky svobodně a obrovskou rychlostí unikat do prostoru. Při srážce takového eruptivního oblaku plného nabitých částic, zejména volných pozitronů, se zemskou atmosférou býváme svědky překrásného nebeského
35
Tanec tří těles a hra stínů
Sluneční plazma odnášená slunečním větrem. Plazma se může zcela odtrhnout a putovat vysokými rychlostmi jako oblak nabitých částic do volného prostoru. Při střetu se Zemí způsobí polární záře, ale může způsobit i nepříjemné technické potíže. Foto: SDO, GSFC/NASA.
jevu zvaného polární záře. Tyto částice ovšem umějí být zejména pro moderní civilizaci velkým nešvarem, neboť dokážou funkční komunikační satelity spolehlivě proměnit v bezcenný kosmický šrot. Při velkých dávkách silných slunečních erupcí se také zemské magnetické pole může nakrátko silně rozkmitat a v polárních oblastech indukovat proudy velkoplošně ničící vedení vysokého napětí. Po maximu sluneční aktivity někdy v polovině cyklu se magnetické pole na Slunci začíná opět přetvářet do vesměs dipólového charakteru a objevují se skvrny cyklu nového, s opačnou magnetickou polaritou než u cyklu dosavadního. Proto se někdy
36
Slunce: bouřlivý a žhavý plynný magnet
sluneční cyklus počítá jako dvojice jedenáctiletých cyklů po sobě, při nichž se vymění magnetická polarita skvrn opačně a zpět. Navzdory tomu, že Slunce máme prakticky nadosah a sledujeme je nepřetržitě, mechanizmy probíhající při jednom slunečním cyklu, resp. dvoucyklu, nejsou dodnes zcela vysvětleny. Velmi dlouho se za účelem jejich objasnění pátralo jen teoreticky skrze výzkum nitra naší mateřské hvězdy. Studovala se (a dále studují) například podpovrchová šíření vln pomocí tzv. helioseismologie. Touto metodou se Slunce vědcům vcelku ochotně obnažuje. Daří se tak, byť pomalu, hledat oblasti a děje pod slunečním povrchem vedoucí k tvorbě tak silného magnetického pole. Obecně tomuto procesu říkáme sluneční dynamo. Jak ovšem bylo řečeno, složitých dějů přímo na viditelném povrchu Slunce jsme již po staletí svědky prostřednictvím měnících se skupin tmavých slunečních skvrn nebo dalších jevů vyskytujících se ve sluneční fotosféře. Vědci si tak uvědomují, že na mnohé otázky týkající se Slunce by jim mohl odpovědět hlubší výzkum „povrchových“ nebo „nadpovrchových“ vrstev Slunce. Tam se totiž projevují důsledky dění ve Slunci v největší míře. Viditelným povrchem často míníme fotosféru čili obálku Slunce o tloušťce asi 400 km, která ve viditelném světle září nejvíce, a právě ta je z naší hvězdy na obloze každý den vidět. Kdybychom mohli fotosféru zhasnout, anebo alespoň utlumit, záhy nad ní objevíme ještě tlustší, ale pro oči značně méně zářivou chromosféru. Z řeckého slova chromos (barva) se lze dovtípit, že tato obálka Slunce má nápadný odstín. Konkrétně je to odstín odpovídající zejména vlnové délce 656,7 nanometru, která patří záři vodíku uvolněné při přeskoku elektronu z třetí na druhou energetickou hladinu. Odborně se této čáře říká H-alfa a lidské oči ji vnímají jako sytě červený až krvavý odstín. Není to však jediná spektrální čára vodíku, která „obarvuje“ chromosféru, takže volným okem se nám její odstín zdá spíše narůžovělý. A právě v této vrstvě o tloušťce až 10 tisíc kilometrů (čili téměř průměr Země) se odehrávají dramatické jevy spojené s ochlazujícím se plazmatem nad slunečním povrchem. Můžeme tam spatřit zejména jazyky tzv. protuberancí, jež se vznášejí až stovky tisíc kilometrů nad fotosférou v magnetickém poli a někdy se od Slunce odtrhnou. Prostřední tvář Slunce nikdy očima neuvidíme, ukazuje Slunce ve spektru tzv. extrémního ultrafialového záření, v němž vynikají zejména uzavřené magnetické smyčky nad aktivními oblastmi Slunce. Zcela vpravo je pohled na Slunce tak, jak je můžeme vidět nejběžněji: fotosféra se skvrnami a světlými fakulovými poli. Foto: SDO, GSFC/NASA. A toto nás z hlediska tajemných zatmění již zanáší k jádru toho nejzajímavějšího. Pozoruhodným objektem studia se totiž kromě slunečních skvrn, silných erupcí a protuberancí stala především také horká sluneční koróna. Paprskovitá obálka, nad viditelným povrchem Slunce tvořena volnými elektrony rozptylujícími sluneční záření, tvarována slunečním magnetickým polem a svým jasem tak slabá, že ji nespatříme očima nikdy jindy než při úplném zatmění Slunce. Je stále záhadou, jak to že v centru Slunce dosahuje teplota 15 milionů Kelvinů, na jeho povrchu už jen několik tisíc a v koróně, vysoko nad slunečním povrchem, stoupá opět k milionům. Ukazuje se, že za vysokou energií, a tudíž i za teplotou naměřenou v koróně, stojí jevy související s přítomností a se změnami magnetického pole v koróně. V nemalé míře
37
Tanec tří těles a hra stínů
Tři tváře slunečního povrchu v prakticky stejný okamžik v srpnu 2011. Zcela vlevo je sluneční chromosféra: Paprskovité spikule a výtrysky plazmatu známé jako spikule jsou pozorovatelné speciálními chromosférickými dalekohledy.
také silné magnetozvukové vlny, které se v ionizovaném prostředí vcelku bezobtížně šíří vysoko nad viditelný sluneční povrch. Právě tzv. Aflvénovy vlny, pojmenované podle švédského astrofyzika Hannese Afvéna (1908–1995), patrně přenáší vysoké energie, uvolněné při procesech pod narůžovělou sluneční chromosférou, až do koróny, a stojí proto za jejím „ohřevem“. Proč ty uvozovky? Teplota v koróně je změřena podle energie potřebné k tvorbě iontů železa, které se v jejím prostředí nacházejí. Prostředí koróny je ovšem nesmírně řídké, takže běžný rtuťový teploměr by tuto teplotu rozhodně nenaměřil.
38
Měsíc: věrný souputník Země
S nástupem družicového věku vědce překvapilo, co všechno se děje v koróně – miliony kilometrů daleko od slunečního povrchu. Foto: SOHO, ESA/NASA.
Tvar koróny se neustále mění. Během minima sluneční aktivity vypadá jako magnetické pole dipólového magnetu s polárními radiálními paprsky a jasnými výtrysky mimo póly, zejména poblíž rovníku. V maximu je všechno jinak: Koróna je tvarována chaotickým magnetickým polem po celém obvodu Slunce do jasných paprsků a vypadá jako okvětní lístky.
Měsíc: věrný souputník Země Okolo Země obíhá Měsíc. Je to chladný a mrtvý svět. Přesto na něm na přelomu 60. a 70. let 20. století stanulo celkem 12 lidí. A možná to není konečné skóre. Co ve zkratce vlastně o Měsíci víme?
39
Tanec tří těles a hra stínů
Vznik Měsíce je trochu nejistý. Existovalo mnoho teorií, ale nejpravděpodobnější vědcům dnes připadá myšlenka o kolizi. Těleso o velikosti Marsu zvané Theia se před 4,6 miliardami let tečně srazilo s mladou a ještě žhavou Zemí. Ta pohltila jeho jádro, sama se o jeho hmotu zvětšila a zbytek odtržené hmoty se doslova rozprsknul. Tento vyvržený materiál se ovšem nevytratil, nýbrž hned po kolizi se zachytil v gravitačním poli Země jako prstenec roztavené hmoty. Postupně se zformoval do jednoho jediného tělesa, zárodku dnešního Měsíce. Tato teorie mimo jiné vysvětluje i to, proč má měsíční povrch podobné chemické složení jako zemský plášť.
Umělecká představa srážky mladé Země a tělesem Theia, která dala vzniknout našemu Měsíci a v mnohém ovlivnila i vznik života na Zemi. Foto: NASA / JPL-Caltech / T. Pyle (SSC/Caltech).
40
Měsíc: věrný souputník Země
Slavný snímek z Mezinárodní kosmické stanice v roce 2001, ukazující tichý a mrtvý Měsíc nad „peřinou“ zemské atmosféry, díky které naše modrá planeta životem kypí. Foto: ISS, NASA.
Povrch Měsíce je rozvrásněn nespočtem kráterů, které v jeho historii vznikaly dopady meteoritů. Měsíc je pustý svět bez života. A přitom jen o kousek dál leží Země, kde to životem kypí. Hlavním důvodem toho je, že náš přirozený souputník postrádá atmosféru a není sopečně činný. Jeho přitažlivost je malá a povrchové teploty jsou vysoké. Za takových podmínek si Měsíc nebyl schopen plynný obal udržet. Oproti Zemi tak postrádá prostředí k životu a také svůj přirozený štít, který by jej ochránil před bombardováním tělesy z okolního prostoru. Nejvíce kráterů je přitom vzpomínkou na období tzv. pozdního velkého bombardování před asi 4,1–3,8 miliardy let. Měsíc je třiapůlkrát menší než Země, v průměru má necelých 3 500 km. Od Země leží ve vzdálenosti, která kolísá mezi 363 tisíci kilometry v přízemí a 405 tisíci kilometry v odzemí. Je to takové nepovedené dvojče Země, které k nám staví stále stejnou tvář. Nejspíše proto, že mladý Měsíc byl žhavý a těžší materiál si Země postupně přitáhla na přivrácenou měsíční
41
Tanec tří těles a hra stínů
polokouli. Jakmile žhavý materiál v Měsíci utuhnul, odsoudil naší přirozenou družici k vázané rotaci. Měsíc tak oběhne Zemi za stejnou dobu, jako se otočí kolem své osy. Tato na první pohled jasná úvaha ovšem na jisté trhliny v přesnějším vysvětlení stále naráží. Měsíc totiž v minulosti rotoval rychleji a jeho rotaci zpomalilo tuhnutí jeho podpovrchového materiálu, vliv neměly pouze slapové síly Země. Je to podobné, jako když roztočíte vajíčko na měkko: Tužší žloutek zevnitř tře o řidší bílek a ten brzdí vnější skořápku. Měsíc se tedy zpomalil sám. K vázané rotaci došlo až za určité fáze zatuhnutí materiálu v něm a uvolnění energie při postupném snižování rotační rychlosti. Otázka vázané rotace a měsíční strany odsouzené k věčnému přivrácení k naší planetě je stále otevřena, neboť není jasné, zda podpovrchové vrstvy byly tekuté značně déle, než se odborníci dnes obecně domnívají. Vědci nemohou nahlédnout do měsíčního nitra a vnořit se hlouběji do jeho geologické minulosti. Mohou se pouze domnívat, že Měsíc, jaký jej známe dnes, byl vesměs stejný již po zmíněném velkém meteoritickém bombardování. Vycházejí z rozložení kráterů na jeho povrchu. Občas nás Měsíc zvečera nebo časně zrána překvapí po staletí obdivovaným tvarem jasného srpku se slabě ozářeným zbytkem měsíční tváře. Slabé záři říkáme popelavý svit Měsíce. Srpek spatříme pokaždé, když je Měsíc ve fázi jen několik dní kolem novu. Sluneční světlo dopadající na Zemi, která je při pohledu z Měsíce asi 4x větší a v ten čas prakticky v úplňku, je rozptýleno zemskou atmosférou a část z něj dopadá i na tu neosvětlenou část Měsíce. Je to jeden z jevů, kdy zemská atmosféra ovlivňuje při pohledu z vesmíru měsíční vzhled. Tím druhým je již samotné měsíční zatmění…
Dramatický havajský západ mladého Měsíce s popelavým svitem 3. prosince 2013 za oceánem. Foto: Miloslav Druckmüller.
42
Ekliptika: rovina stvořená pro zatmění
Ekliptika: rovina stvořená pro zatmění Pro lidi, kteří zatmění brali jako božská znamení, by bylo asi těžké připustit jejich skutečnou podstatu vzniku. A přitom je to vcelku jednoduché. Už na základní škole jsme se učili, že zatmění Slunce vzniká v okamžiku, když Měsíc zakryje sluneční kotouč. O měsíčním zatmění zase víme, že nastává v době, kdy Měsíc vstoupí do zemského stínu. Avšak pojďme si to nyní vysvětlit z poněkud širšího pohledu.
Nádherný úsek Mléčné dráhy na pomezí ekliptikálních souhvězdí Štíra a Střelce z chorvatského ostrova Hvar. Pod Mléčnou dráhou běsní daleká bouře nad Jaderským mořem. Foto: Petr Horálek.
43
Tanec tří těles a hra stínů
Země obíhá okolo své mateřské hvězdy ve vzdálenosti asi 150 milionů kilometrů, a to ve stále stejné rovině, které se odborně říká ekliptika. Už sám pojem ekliptika možná napovídá, že nějak souvisí se zatměním. A není to daleko od pravdy. Na rovině ekliptiky totiž leží i Slunce. Jak Země obíhá kolem Slunce, ocitá se Slunce během roku postupně ve 13 zvířetníkových souhvězdí, zvaných též ekliptikární. Ta souhvězdí známe dobře, každý z nás o nich slyšel, i když většinou v souvislosti s pochybnou astrologií a znameními horoskopu. Takže Rak, Lev, Panna, Váhy, Štír… Teď se ale možná ptáte: „A nemá jich být pouze 12?“ Kdepak, nemá. Ekliptika prochází i souhvězdím Hadonoše, dokonce nikoli na tak malém úseku oblohy, aby to nestálo za zmínku. Ve dne si toho nevšimneme, protože sluneční světlo rozptýlené v zemské atmosféře znemožňuje pohled ke hvězdám. Ale kdyby Slunce svou oslnivou záři na krátkou dobu značně ztlumilo, poměrně snadno bychom odhalili, ve kterém souhvězdí zrovna leží. A to se podařilo lidem již v dávných dobách, kdy si při slunečních zatmění všimli nejjasnějších hvězd na obloze a rozpoznali i některá souhvězdí poblíž ztemnělého Slunce. Upřímně, samotné zatmění je natolik uchvátilo, že patrně až další generace byly schopny věnovat pozornost i tomu, že ztemnělé Slunce se vždy nachází postupně jen v těch stejných 13 souhvězdích. Tuto nebeskou rovinu, na níž Slunce v průběhu roku nalezneme, proto nazvali na počest
Úplné zatmění Měsíce z 3. na 4. března 2007 nastalo na ekliptice v souhvězdí Lva. Měsíc na snímku neleží přímo na ekliptice, neboť prochází severně nad středem zemského stínu. Foto: Tunç Tezel.
44
Ekliptika: rovina stvořená pro zatmění
úkazu, který na obloze chtě nechtě občas nastane. A tak z latinského slova eclipsis, v překladu zatmění, vznikla ekliptika. Dráha Měsíce je vůči rovině ekliptiky skloněna o 5 stupňů. Měsíc i Slunce ovšem zabírají na nebi v úhlovém průměru jen asi půl stupně. Na ekliptice nalezneme Měsíc jen ve chvíli, kdy prochází na své dráze místy, které se s rovinou ekliptiky protínají. Jazykem astronomů řečeno vzestupným nebo sestupným uzlem čili místy, v nichž Měsíc vystupuje nad rovinu ekliptiky nebo sestupuje pod ní. Pochopitelně ve vesmíru žádné „nad“ nebo „pod“ není, orientace je určena podle zemských pólů. Sever je proto nahoře a jih dole. Nicméně právě tato dvě místa měsíční dráhy hrají při obou druzích zatmění nejzásadnější roli. Při zatmění Slunce musí být Měsíc v novu mezi Sluncem a Zemí a zároveň na jednom z uzlů. Při zatmění Měsíce musí být rovněž poblíž některého z uzlů, ale zase v úplňku a na opačné straně své dráhy, a tedy i oblohy.
Pohyb Měsíce a ekliptika. Rendering: Petr Horálek.
45
