CO JE TO VESMÍR? O lidské snaze poznat, co je kolem nás
esmír je jiné slovo pro „všechno“ – patří do něj všechny planety, všechny hvězdy i všechny vzdálené galaxie. Je příliš velký, než abychom si jej dovedli představit, přesto se ho ale snažíme pochopit. Během celých lidských dějin jsme do něj hleděli, měřili v něm a studovali ho v naději, že mu jednou porozumíme. Na této cestě jsme udělali několik důležitých kroků; abychom ale nezpychli, vesmír má pro nás stále připravena nová překvapení a předkládá nám nové záhady, kterými zkouší naši imaginaci.
V
Touha porozumět vesmíru se objevila už v dávné historii. Byly nalezeny babylonské tabulky, pocházející z období 3500–3000 let před naším letopočtem, na nichž je zaznamenána proměnlivost délky dne během roku. Číňané mají záznamy o zatměních Slunce od roku 2000 před naším letopočtem. Na celém světě se nacházejí prehistorické struktury, které mají podivuhodnou souvislost s astronomickými pozorováními. Nejstarší z nich je 5 200 let starý hrob v Newgrange v Irsku. Za rozbřesku zimního slunovratu, nejkratšího dne v roce, procházejí sluneční paprsky spojovací chodbou a dopadají na podlahu vnitřní komory. Na Velikonočním ostrově sedm ze stovek tajemných soch hledí ve směru, kde Slunce zapadá o rovnodennosti, kdy 8
CO JE TO VESMÍR?
noc a den trvají stejně dlouho. Objevila se myšlenka, že velký kambodžský chrám Angkor Wat je orientován tak, aby Slunce vycházelo o letním slunovratu nad jeho východní branou. S hvězdami korespondují i egyptské pyramidy. Žádná z těchto staveb není observatoří ve vědeckém smyslu, ale jasně svědčí o tom, že jejich stavitelé rozuměli pohybům hvězd a Slunce. Ta nejranější astronomická pozorování dělali naši předkové téměř jistě proto, aby vytvořili kalendář. Fáze Měsíce se střídaly s periodou jednoho měsíce a pohyb Slunce na nebi určoval den i rok. V průběhu roku Slunce vychází a zapadá na různých místech na horizontu. Je známo, že Stonehenge, dobře zachovaný kamenný kruh na salisburské pláni v Anglii, má uspořádání vztažené ke slunečnímu pohybu. Díváme-li se z hlavní brány o letním slunovratu, vychází Slunce nad kamenným blokem zvaným Heel Stone. Dříve se myslelo, že Stonehenge byl chrám boha Slunce, badatelé však našli korelace mezi jeho konstrukcí a Měsícem a domnívají se, že se jednalo o prehistorickou observatoř, sloužící především k předpovědi zatmění.
Nejranější kosmologie Řecké slovo kosmos, od kterého odvozujeme pojem kosmologie, znamená něco jako „dobré uspořádání“. Kosmologie je část astronomie, která se snaží odpovědět na tu nejzákladnější otázku „Co je to vesmír?“, a proto studuje, jak se vesmír chová, jak začal a jak případně skončí. Kosmologie jako opravdová věda začíná až rokem 1915, kdy Albert Einstein zveřejnil svou obecnou teorii relativity (viz Měl Einstein pravdu?). Do té doby astronomové postrádali matematický rámec, který by dovoloval popisovat vesmír jako celek, a tak až do počátku 20. století kosmologie byla z větší části směsí spekulací a úvah inspirovaných náboženstvím. Ve starověkých kosmologiích byl náboženský prvek silný a často se do kosmologických úvah promítala víra, že nebe jako sídlo bohů je umístěno někde v prostoru nad našimi hlavami. 9
CO JE TO VESMÍR?
Egypťané zakládali svou představu o vesmíru na lidském reprodukčním cyklu. Věřili, že sluneční bůh Ra se každý rok znovu zrodí z bohyně nebes Nut a měnící se zeměpisná šířka Slunce během roku je výrazem jeho dozrávání v hvězdami posetém těle Nut. Slunce se mělo narodit vždy při zimním slunovratu a o jarní rovnodennosti se vrátit do těla Nut jejími ústy. Takto Ra spojitě znovu vytvářel sebe sama a činil z vesmíru věčné zachovávající se jsoucno. Rané civilizace si vyprávěly příběhy inspirované uspořádáním hvězd na obloze. Představovaly si, že hvězdy spojené čarami vytvářejí obrazy zvířat či mytických osob. V Mezopotámii „Astronomie nutí duši (dnešním Iráku) archeologové vykopali kamenné a hliněné destičky, pocházející dívat se vzhůru a vede z doby kolem roku 1300 před naším nás z tohoto světa letopočtem, na nichž jsou zachycena do světa jiného.“ mnohá tato souhvězdí, včetně PLATON souhvězdí zvěrokruhu. Zvířetníková řecký filosof souhvězdí měla obzvláštní význam, ze 4. století př. n. l. protože jimi procházelo na své dráze Slunce. Tato souhvězdí později upravili a přejmenovali Řekové, například asyrská souhvězdí „Čeledín“ a „Vlaštovka“ dostala jméno „Beran“ a „Ryby“. Ve starém Řecku táhli od vesnice k vesnici pěvci, kteří za stravu a lože vyprávěli hvězdné mýty. Ve stejnou dobu přicházeli se svými podivuhodnými myšlenkami filosofové. Ti se snažili vysvětlit povahu vesmíru. Jedním z prvních byl Thales, který žil v 6. století před naším letopočtem. Přišel s myšlenkou, že prostor je naplněn vodou, ve které plave Země, zemětřesení způsobuje vlnobití v této vodě a hvězdy se pohybují díky pohybu jemných proudů. Řecký astronom Klaudios Ptolemaios, jenž žil v prvním století našeho letopočtu, sestavil seznam 48 souhvězdí. Protože se ale z Řecka nedá vidět celá obloha, oblasti kolem jižního pólu se mapovaly až v 16. a 17. století, kdy k protinožcům zamířili astronomové a zkoumali jižní nebe. Byla také navržena 10
CO JE TO VESMÍR?
souhvězdí, jež měla vyplnit mezery v klasické Ptolemaiově hvězdné mapě. To vedlo nevyhnutelně k třenicím mezi astronomy. Například v Anglii navrhl Edmond Halley souhvězdí s názvem Robur Carolinum (Králův dub) na počest stromu, ve kterém se Karel II. skryl před Cromwellovými bojovníky po bitvě u Worcesteru. Krále tato pocta potěšila, méně už Halleyovy astronomické kolegy, kteří souhvězdí ze svých hvězdných map zase potichu vymazali. Pevný rámec získalo rozdělení oblohy na souhvězdí až mnohem později, v roce 1922, kdy Mezinárodní astronomická společnost ratifikovala 88 souhvězdí, většinou založených na řeckém modelu, a přesně definovala jejich hranice. Nebyl to jediný odkaz řecké astronomie, který přežil do moderní doby. Alespoň jeden z Řeků se nespokojil s pouhými mýty a spekulacemi o hvězdách, nýbrž si uvědomil, že nejlepší cestou, jak hvězdné obloze porozumět, je ji proměřovat. Byl jím Hipparchos, jenž zavedl klasifikaci hvězd užívanou až dodnes.
Jas hvězd I při zběžném pohledu na noční oblohu si všimneme, že některé hvězdy jsou jasnější než jiné. Hipparchos před více než dvěma tisíci lety udělal seznam 850 hvězd, u kterých pečlivě určil jejich polohu a porovnal jejich jas. Neměl k tomu žádné přístroje, jas hvězd odhadoval jen okem. Ty nejjasnější hvězdy označil jako hvězdy „první velikosti“¸ ty nejslabší jako hvězdy „šesté velikosti“. Tento na první pohled velmi hrubý systém hvězdných velikostí astronomové kupodivu užívají až dodnes, moderní měřicí přístroje ovšem umožnily Hipparchovu šestistupňovou klasifikaci rozšířit a zpřesnit. Nejjasnějším objektům na vrcholu stupnice se nyní přiřazují záporná čísla a těm nejslabším hvězdám na druhém konci škály, jež se dají pozorovat jen pomocí dalekohledů, jsou přiřazena čísla podstatně vyšší než šest. Ty největší teleskopy dokážou z povrchu Země pozorovat hvězdy až 27. velikosti, zatímco Hubbleův teleskop na oběžné dráze, kde pozorování není rušeno zemskou atmosférou, zaregistruje i hvězdy velikosti 30. Každá kategorie hvězdné 11
CO JE TO VESMÍR?
velikosti znamená ve skutečnosti 2,5krát větší jas než kategorie předchozí, takže hvězdy 30. velikosti jsou 3,5miliardkrát slabší než ty, které můžeme pozorovat pouhým okem. Když ovšem měříme hvězdný jas, nesmíme zapomenout, že je ovlivněn nejen absolutním množstvím světla, které hvězda vysílá, nýbrž i vzdáleností zdroje od pozorovatele. Velice slabá hvězda může mít absolutní svítivost mnohem větší než hvězda velice jasná, je-li od nás hodně vzdálená. Zdánlivý jas klesá se vzdáleností podle zákona nepřímé úměrnosti druhé mocnině vzdálenosti, což znamená, že když se vzdálenost zdvojnásobí, jas poklesne čtyřikrát, když se ztrojnásobí, poklesne na devítinu původní hodnoty. Proto se hvězdným velikostem měřeným bez korekce říká „velikosti zdánlivé“; „velikosti absolutní“ se z nich získají korekcí na vzdálenost. Známá rudá hvězda Betelgeuse má zdánlivou velikost 0,58, na absolutní škále však vyskočí na hodnotu -5,14. Je to ve skutečnosti jasná hvězda, ale poměrně vzdálená. Na druhé straně Slunce má obrovskou zdánlivou velikost 26,7, je to ale jen důsledkem jeho malé vzdálenosti od nás. Po korekci na vzdálenost je jeho absolutní velikost jen 4,8. Je to vcelku průměrná hvězda, i když pro nás hraje tak důležitou roli.
Pod bludnými hvězdami Antičtí řečtí astronomové nám díky svému pečlivému pozorování a zaznamenávání poloh hvězd zanechali bohatou zásobu znalostí o hvězdách. Mátlo je ale chování pěti zvláštních hvězd. Nazvali je astēr planētēs, což znamenalo „putující hvězdy“, protože se každou noc objevovaly na jiném místě mezi „pevnými“ hvězdami, stálicemi. Dnes jim říkáme „planety“ a pět řeckých planet byly ty nejbližší k Slunci, jež lze pozorovat pouhým okem: Merkur, Venuše, Mars, Jupiter a Saturn. Řekové ovšem nemohli tušit, že jsou to světy podobné našemu a pokládali je za božstva či přinejmenším za boží posly, kteří ovlivňují životy lidí na Zemi. 12
CO JE TO VESMÍR?
Dvě z planet, Merkur a Venuše, putují po drahách mezi Sluncem a Zemí. Ze Země je proto pozorujeme v blízkosti Slunce, takže jsou dobře viditelné pouze těsně po západu či před východem Slunce. Mars, Jupiter a Saturn obíhají po drahách vzdálenějších, než je zemská, a jejich pomalý pohyb na nočním nebi je dobře pozorovatelný. Mnoho astronomů pečlivě sledovalo dráhy planet, takže díky jejich úsilí se daly budoucí pohyby putujících hvězd předpovídat. Toto snažení se pokládalo za důležité, protože se věřilo, že když se dvě planety ocitnou blízko sebe, jejich vliv se kombinuje a zesiluje. Tato takzvaná konjunkce byla tedy důležitá při sestavování horoskopu. Po příchodu křesťanství převládal názor, že nebeským pohybům nikdy neporozumíme, protože nebe je boží území a nedokonalý lidský intelekt není schopen pochopit vůli Všemohoucího. Tento pohled se začal měnit na počátku 17. století, když Johannes Kepler vystihl pohyby planet třemi matematickými zákony (viz Proč planety setrvávají na svých drahách?). Začalo se zdát, že vesmír lze nejen proměřovat, ale dá se mu i porozumět. Ve stejné době konal Galileo Galilei pozorování, která stimulovala představivost vidinou bohatšího vesmíru. V roce 1609 zaměřil svůj dalekohled na mlhavý světlý pás táhnoucí se přes oblohu, známý jako Mléčná dráha. I když jeho teleskop byl z hlediska dnešních standardů velmi málo výkonný, Galilei rozpoznal, že Mléčná dráha je ve skutečnosti složena z obrovského množství slabých hvězd. To přišlo jako zjevení, protože do té doby se věřilo, že vesmír obsahuje jen to, co vidíme prostým okem. A nyní Galilei ukázal, že je v něm mnohem více. To byl počátek cesty plné údivu, kdy každá generace astronomů vyvíjela větší a větší teleskopy, pomocí kterých se daly pozorovat slabší a slabší objekty, a této cestě ještě není konec. Dnešní největší teleskopy mají průměr celých deset metrů, což je asi 500krát více, než měl teleskop Galileiho. 13
CO JE TO VESMÍR?
Nebeští sousedé Dnes víme, že Slunce je jednou z hvězd obrovského hvězdného seskupení známého jako Galaxie. Ta sestává nejméně ze sta miliard hvězd, uspořádaných do spirálního vzoru v plochém disku, jež obíhají kolem baňatého středu, tvořeného ještě větším množstvím hvězd. Z naší polohy v jednom ze spirálních ramen vidíme disk jako světlý oblak, jenž tvoří myriády hvězd – říkáme mu Mléčná dráha. Galaktické centrum je směrem na jih, v souhvězdí Střelce. Při pozorování z nějakého temného místa na jižní polokouli bychom viděli, jak se Mléčná dráha propadá do velkého hvězdného oblaku galaktické centrální výdutě.
e am
Tloušťka stelárního disku Mléčné dráhy se odhaduje na 1 000 světelných let – světelný rok je vzdálenost, kterou světlo urazí za rok. Podle laboratorních měření se světlo šíří ve vakuu rychlostí přibližně 300 000 kilometrů za sekundu, takže za rok uletí 9,5 bilionu kilometrů. To je tedy délka jednoho světelného roku. Díky užívání takovýchto obrovských jednotek délky se dají astronomické vzdálenosti udávat přece jen v rozumnějších číslech. V galaktickém disku je hustota hvězd přibližně jedna hvězda na 4 světelné roky, ale rameno Št v srdci naší galaxie, ít r ve vzdálenosti 25 až c e 30 tisíc světelných roků třel oS od Slunce, jsou hvězdy en a k nahuštěny mnohem č ří áp k těsněji a vytvářejí c kti a l protáhlou výduť ga o rozměrech několika tru tisíc světelných let. h Slunce a e no P
ra m
ravítko
N ÁŠ
DOMOV
14
–
o
GALAXIE
os
P no rame am ír vnějš
en
rse a
M LÉČNÁ
Orionu
DRÁHA
V bezprostředním okolí Slunce se v disku nachází 33 hvězd. „Okolím“ zde astronomové míní
CO JE TO VESMÍR?
vzdálenost menší než 12,5 světelného roku. Většina našich sousedů jsou hvězdy menší a méně jasné než naše Slunce. Říká se jim červení trpaslíci (viz Jak je vesmír starý?) a jim podobné hvězdy představují početně největší populaci hvězd ve vesmíru. Jen dvě hvězdy v sousedství mají podobnou velikost jako Slunce a jen jedna je větší – je to Prokyon v souhvězdí Malého psa. Jeho průměr je proti Slunci asi dvojnásobný a jeho hmotnost asi 1,5krát větší.
„Mléčná dráha není než nespočet hvězd seskupených dohromady.“ GALILEO GALILEI astronom 17. století
Poblíž centra galaktické výdutě je hustota hvězd asi 500krát větší než v našem okolí. Kdybychom Slunce přenesli do této oblasti, pak by byly sousední hvězdy, pravděpodobně též obklopené vlastními planetami, jen asi desetkrát dále než Pluto, zatímco na současném místě je od Slunce k nejbližší hvězdě asi 5000krát dále než k Plutu. Astronomové věří, že v samotném centru Galaxie je hustota hmoty tak veliká, že tam existuje černá díra (viz Co jsou to černé díry?).
A za naší Galaxií? I když se naše Galaxie zdá obrovská, zdaleka to není celý vesmír. V opravdu velkém měřítku je jen malým ostrovem v oceánu, ve kterém je bezpočet jiných ostrovů. A každý z těchto ostrovů je galaxie připomínající tu naši, obsahující od několika milionů až do bilionu hvězd. Galaxie se dají rozřadit do tří typů: spirální galaxie, spirální galaxie s příčkou a eliptické galaxie. Spirální galaxie se svými prohnutými rameny tvořenými mladšími hvězdami, jež obklopují starší hvězdy v centrální výduti, jsou obzvláště krásné. Spirální galaxie s příčkou – sem patří i naše Galaxie – jsou podobné spirálním, jenom uprostřed mají protáhlou strukturu, jež spojuje centrální výduť se spirálními rameny. Zato eliptické galaxie vypadají zcela odlišně. Mohou být mnohem větší, než jsou spirální galaxie nebo spirální galaxie s příčkou, a mohou mít tvar od protáhlého 15
CO JE TO VESMÍR?
spirální eliptické
spirální s příčkou T YPY
GALAXIÍ
doutníku až ke skoro perfektní kouli. Pak existují ještě podivné útvary zvané nepravidelné galaxie, z nichž některé jsou možná jen pokažené spirální galaxie a některé jsou opravdu neuspořádané. Mezi největšími a nejjasnějšími galaxiemi tvoří spirální galaxie a galaxie s příčkou asi tři čtvrtiny celkového počtu. Na obloze však nacházíme i spoustu malých eliptických a nepravidelných galaxií – těm se říká trpasličí galaxie. Započteme-li i je, pak se poměr obrací – malé spirální galaxie jsou vzácné. I když mnoho pozorovaných galaxií je izolovaných, řada galaxií vytvořila v důsledku gravitačního přitahování těsnější seskupení. Útvary sestávající z méně než 50 galaxií se označují prostě jako „skupina“. Naše galaxie patří do „Místní skupiny“, která obsahuje ještě jednu velkou spirální galaxii, zvanou Galaxie v Andromedě a pak ještě asi 30 menších galaxií. Větší útvary, které obsahují více než 50 galaxií, se označují jako kupy galaxií – počet galaxií v kupě může činit více než tisíc. Nejbližší kupy k Místní skupině jsou kupa v souhvězdí Panny, která obsahuje asi 1 300 galaxií, kupa v souhvězdí Vlasy Bereniky s 1 000 galaxií a kupa v Herkulovi, mající asi 100 členů. Různé skupiny a kupy mají tendenci vytvářet ještě větší seskupení, výstižně pojmenovaná „nadkupy“. Tyto obrovské útvary jsou ve vesmíru rozloženy v gigantických 16
CO JE TO VESMÍR?
„listech“ či „zdech“, zvaných též „vlákna“, a obklopují obrovské prostorové oblasti, jež neobsahují téměř žádné galaxie. Můžeme-li takové „prázdnoty“ nazvat objektem, pak se jedná o ty největší objekty ve vesmíru. Představíme-li si vesmír jako bublinkovou lázeň, pak galaxie jsou rozloženy v tenkých mýdlových vrstvách, jež obklopují prázdné bubliny.
„Člověk obdařený pěti smysly zkoumá vesmír kolem sebe a toto dobrodružství nazývá vědou.“ EDWIN HUBBLE kosmolog 20. století
Odhad počtu galaxií vyplňujících vesmír každým rokem roste. V roce 1999 astronomové na základě pozorování z Hubbleova kosmického teleskopu odhadovali počet galaxií na 125 miliard. Krátce potom byla instalována na teleskopu nová kamera a ta jich odhalila ještě o mnoho více, takže odhad se zdvojnásobil. Odhady pomocí superpočítačů nyní činí 500 miliard galaxií v pozorovatelném vesmíru.
Pohled zpět v čase Ke zkoumání původu galaxií a historie vesmíru využívá kosmologie skutečnosti, že světlo se nešíří prostorem nekonečnou rychlostí. Jakkoli obrovská je rychlost světla podle běžných měřítek – zemský rovník by světlo obletělo za vteřinu sedmkrát – jeho cesta od vzdálených objektů k nám trvá mnoho a mnoho let. Je-li hvězda vzdálená 100 světelných roků, světlo od ní k nám letí 100 let. V důsledku toho nevidíme, jak hvězda vypadá dnes, nýbrž jak vypadala před 100 lety, když z ní odstartovalo světlo, které dnes pozorujeme. Kosmologové se tak mohou dívat nazpět v čase. Jsou v podobné situaci jako paleontologové, kteří se prokopávají přes mnoho skalních vrstev a nacházejí starší a starší fosilie. Čím dále do prostoru se astronomové dívají, tím starší nebeské objekty vidí. Se současnou technikou pozorování teleskopy vidíme, jak pozorované objekty vypadaly před miliardami let, a tak jsme schopni sledovat vývoj, kterým prošly, než získaly podobu, kterou dnes pozorujeme v malých vzdálenostech. Vítejte ve světě kosmologie! 17
