KAKO JE SHAPLEY POGREŠIO?

Greška o kojoj je reč se ne odnosi na Veliku debatu iz 1921. godine o dimenzijama Svemira, mada se itekako odnosi na dimenzije Svemira. Ali da krenemo redom.

U vreme neposredno pred Francusku revoluciju, odnosno u vreme dok su cvetali kasni barok i rokoko, kao najkitnjastiji i najluđi umetnički pravci, jedan je Italijan iz Savojske države odavno živeo u Parizu. Zapravo nije bio jedini, mnogi njegovi rođaci iz malog ligurskog naselja, Perinalda, završili su kao gastarbajteri tamo gde je uveliko završavao svoju šljašteću vladavinu Kralj Sunce, odnosno gde je moglo da se živi pristojnije nego u malim i rascepkanim italijanskim državicama. Kraljevina Italija će nastati ceo vek i nešto kasnije, tako da nije čudno što je Giovanni postao Jean-Dominique.

Reč je o porodici Maraldi koja je rodbinski povezana sa porodicom Cassini, zapravo vrlo logično pošto su iz istog sela. Giovanni Domenico (Jean-Dominique) Maraldi je imao ujaka koji je bio ujedno i nećak čuvenog Žana-Dominika Kasinija, a kasnije je i sarađivao sa njegovim sinom (Jacques Cassini). Upravo dok su osmatrali jednu novootkrivenu kometu Maraldi je zabeležio položaj dve magličaste zvezde koje su kasnije ušle u M katalog kao M2 i M15.

Sumnjam da je pogled na M15 kroz tadašnje refraktore izgledao ovako nekako, obzirom da je za razbijanje na članice potrebna malo veća apertura. U to vreme su već postojali takozvani "tubeless" refraktori, nema veze sa industrijom pneumatika već su naprosto objektiv i okular stajali na otvorenom, praktično teleskop nije imao tubus. Ovo je bilo idealno da napravite objektiv veoma velike žižne daljine i da ga okačite na obližnje drvo, a zatim da jurite fokus okolo sa okularom u ruci. Izuzetno teško ako mene pitate, ali to je bio jedini način da se dobije nešto malo veća apertura tadašnjih vrlo primitivnih ahromata. Prednost je bila manja hromatska aberacija i manja preciznost potrebna prilikom izrade (veći f-broj traži manju zakrivljenost sočiva). Treba imati u vidu da su to bili anahromati, pra-hromati, odnosno još primitivniji od ahromatskih sočiva koja su se pojavila stotinak godina kasnije (dublet kraun/flint koji ima kakvu-takvu korekciju boja).

Takvim teleskopima od po više desetina metara dužine bila je opremljena i Pariska opservatorija gde je šef bio Cassini - sateliti Saturna Diona i Tetis su tim nezgrapnim instrumentima otkriveni. A Bradley je u to vreme sa druge strane Kanala izmerio prečnik Venere teleskopom čija je dužina iznosila frapantnih 65 metara.

Nakon svega je sasvim logično što je Herschell krenuo sasvim drugim putem, odnosno glačanjem ogledala. Njegovi teleskopi su bili neuporedivo kraći i praktičniji, a ujedno i optički bolji: hromatske aberacije ni u naznakama, sve je fokusirano u jednom položaju fokusera, nema potrebe juriti napred-nazad da bi se sagledale sve (dugine) boje oko neke zvezde. A kad smo već kod Herschell-a, on je i skovao termin "globularni klaster".

Ovo jato je smešteno u sazvežđu Pegaza i na granici je detekcije golim okom. To onda implicira da se u dvogledu vidi kao mutna zvezdica. Nalazi se na nekih 35000 svetlosnih godina odavde i prilično je zbijeno čak i za klasu zbijenih zvezdanih jata. Ima u njemu svega i svačega, nekoliko pulsara pa čak i jedan par neutronskih zvezda. Zbijenost jezgra je odavno primećena u ovom jatu, kao i u nekim drugim jatima, tako da se vrlo brzo krenulo sa teorijskom konstrukcijom o "kolabiranju jezgra" (core collapse).

Ukratko, radi se o činjenici da oko jedne petine poznatih zbijenih jata ima neuobičajeno sjajna jezgra, dok ostala jata to nemaju. Svi se sad verovatno pitaju zar nemaju sva ova jata jednako sjajna jezgra, ali odgovor nema veze sa estetikom gde se u astrofotografiji obično maskiraju ova jezgra da ne bi izgorela (i time smo potpuno narušili svaku objektivnost i otišli sa terena Ajnštajna na teren Pabla Pikasa) već sa naučnim pristupom, gde se nešto prvo izmeri a onda se grade tvrdnje na osnovu izmerenog. Dakle, većina jata imaju sjaj koji, idući od periferije ka centru, ravnomerno raste i onda sjaj ostaje konstantan na nekih 1-2 parseka, sve do geometrijskog centra. To su jata sa slabije izraženim jezgrima.

Manjina ima sjaj koji ne prestaje da raste sve do samog centra i tu su jezgra upadljivo sjajnija. Ilustracija:

Levo bi bilo jato sa kolabiranim jezgrom a desno bez te osobine. U suštini, M15 je jato sa kolabiranim tj zbijenim jezgrom i to se vrlo lako čak i vizuelno uočava. Proces je relativno prost i podrazumeva malo upoznavanje sa gravitacionom dinamikom. Naime, prilikom života jednog zbijenog jata dešava se da neke zvezde migriraju iz centra jata ka periferiji iz raznoraznih razloga, najčešće sopstvenih interakcija. Nakon takvog fajronta preostale zvezde u centru jata se zbijaju i samim tim jezgro čine gušćim kao odgovor na delimičan gubitak mase iz jezgra. Osim toga, dešava se i da masivnije zvezde hrle ka centru upravo da bi se očuvala ukupna energija jata. Razlog je sledeći: masivne zvezde usporavaju i faktički padaju ka centru a one lakše imaju veće brzine i samim tim lutaju po periferiji izbačene iz jezgra.

Proces koji se suprotstavlja kolapsu jezgra je vezan za binarne zvezde. Kad treća zvezda prođe pored dve dvojne, ona uzrokuje da se orbita binarnih skupi, podiže njihovu temperaturu i brzinu rotacije. Moglo bi se reći i da binarne zvezde "koče" ostale koje prolaze pored njih, a zauzvrat podižu temperaturu (ili bolje rečeno energiju) zbijenog jata. U fazi kad je jezgro već kolabiralo, većina ovih binarnih parova su pocepani, izbačeni ili su pretvoreni u kontaktne binarne, pa bi se moglo reći da jezgro kolabira tek kad je potrošen rezervoar energije koju sadrže binarne zvezde. Zadnja faza je reekspanzija celog jata dok jezgro ostaje zbijeno.

Na osnovu ove teorijske postavke evolucije globularnih jata može se zaključiti da je velika većina jata zapravo veoma mlada - iako mnoga dostižu 12 milijardi godina starosti. Kolabiranje jezgra može uslediti i kad jato prođe kroz galaktičku ravan ili usled gravitacione interakcije sa nečim bliskim a ujedno i masivnim (spiralna grana, molekularni oblak ili satelitska galaksija).

Dvostruko uvećan snimak jata, ovog puta linearno razvučen; svaki piksel predstavlja negde oko 0.55 uglovnih sekundi na nebu:

Vidi se koliko je jezgro upadljivije od periferije. Ovo nije nešto što smo mi danas primetili, poznato je još od davnina. Kad je pre više od sto godina u Misuriju, zemlji tornada, viskija i kriminala, lokalni momak radio kao novinar - najviše je voleo da piše o ovom zadnjem, tj o kriminalu. Brzo je uvideo da mu za dalje napredovanje ne fale teme ni inspiracija, ali mu fali formalno obrazovanje, pa je na brzinu završio srednju školu a zatim i upisao koledž. Želeo je da završi novinarstvo ali pošto je taj kurs odložen za iduću godinu, nije hteo da mu propadne vreme pa je uzeo spisak svih smerova na koledžu. Šta god da završi, nebitno je, vratiće se da radi kao novinar.

Spisak je bio abecedni i Harlow Shapley je upisao astronomiju. 

Kad su ga pitali zašto je preskočio arheologiju koja je bila iznad astronomije, rekao je da nije bio siguran kako se "archaeology" tačno izgovara. Ne bi bilo dobro da on kao novinar oko nečeg tako jednostavnog pogreši.

Prošlo je vreme i Shapley je diplomirao i već radio na istraživanjima. Odabrao je oblast globularnih jata. U toku Prvog svetskog rata je objavio četrdesetak radova vezanih za ove objekte i moglo bi se reći da je polako prodirao u suštinu ovih, prilično neobičnih objekata. U prvom redu se tad tražila procena distance do ovih jata i on je odmah upotrebio novootkrivene cefeide, za koje je već postojao utvrđen odnos period-sjaj. Trebalo je snimati jato redovno i sistematski, a onda pronaći ove promenljive. Dalje sledi merenje magnitude i crtanje grafikona, ali merenje magnitude nekad i danas nije isto. Fotografska emulzija naneta na staklenu ploču je bila ne baš precizna oko direktnog merenja magnituda, ali kad treba uporediti sjaj dve zvezde u kadru onda je zapravo sasvim dovoljno precizna. Više od toga nije ni bilo potrebno, a celuloid jeste počeo da se koristi u to neko doba ali uglavnom u kinematografiji, za teleskope su velike fiksne površine ipak bile nezamenljive. Treba podsetiti na veliku boljku tadašnjih velikoformatnih kamera sa celuloidom koji nije uvek ravnomerno zategnut, dok je staklena ploča ravna bukvalno do nivoa molekula. Staviti nešto u fokus na tako rigidnoj ploči znači da će to i biti u fokusu po celom kadru - ako teleskop uopšte ima korigovano polje razume se.

Cefeide su se nizale jedna za drugom, vremenom su distance do pojedinih jata određivane i Shapley je polako počeo da sklapa kockice detektivske slagalice. Zbijena jata su na nebu veoma nepravilno raspoređena, to zna svaki posmatrač. Na severu ih skoro da nema a na jugu je većina. Napravio je pretpostavku da je distribucija jata oko centra Galaksije ravnomerna i simetrična (i pogodio je), jer zašto ne bi bila; vrlo je moguće da naša Galaksija rotira, centar se zna da je u Strelcu i onda zašto da i jata ne rotiraju oko tog centra? 

Veoma logično, napravio je šemu jata u prostoru na osnovu izmerenih distanci i ostalo je samo da odredi distancu centra Mlečnog Puta odavde. Pošto je većina jata oko Strelca udaljena između 30 i 100 hiljada svetlosnih godina, jasno je da tolika mora biti i udaljenost do centra Galaksije. Međutim, mi danas znamo da je distanca ipak manja; negde između 24 i 30 hiljada svetlosnih godina. Sve je Shapley lepo izmerio i tačno izračunao, samo je napravio grešku u prvom koraku. Uostalom, citiraću ga:

"It may be remarked in passing that there is no evidence that the Cepheid variables in clusters, whether of short or long period, are different in their various characteristics from those in the Galaxy at large."

On je za promenljive zvezde iz globularnih jata mislio da su cefeide, kao što je gore pomenuto - ali nisu. To su RR Lyrae, promenljive za koje mi danas znamo da su uglavnom raspoređene po zbijenim jatima. One imaju kraći period pulsacije i prilično su tamnije od cefeida. Razlika u luminoznosti prosečno je oko 2000 puta između ove dve vrste promenljivih. Sasvim dovoljno da Shapley pogreši, a kako je tako velika njegova Galaksija i Univerzum služio kao argument u jednoj drugoj debati, to je sasvim druga priča. I tu je pogrešio zapravo, ali dobro, ko radi taj i greši. Ili drugačije formulisano: bitna je dobra volja. 

A kad smo već kod citata, na ovom linku imate kompletan tekst Šejplijeve knjige "Galaktička jata" iz 1930. godine.  

Da ne bude sve negativno oko ovog astronoma, njegova gorepomenuta knjiga je fascinantna literatura koja otkriva i njegov način razmišljanja u pokušajima da sistematizuje dotadašnju predstavu šta su zapravo ova jata. Osim toga, njemu dugujemo i tzv Shapley-Sawyer klasifikaciju jata koja definiše izgled jezgra a samim tim i pojam kolapsa jezgra. Ovde su jata poređana po klasama, ukupno 12 njih, s tim da prvu klasu čine najkoncentrisanija jata (najbogatija, najzbijenija, ili jednostavno jata sa kolabiranim jezgrom). Sasvim suprotno, klasa XII su jata sa bezmalo nikakvim koncentrisanjem zvezda u centru. Primer jata klase XII je Palomar 12, a klase I je M75. Naše jato iz ovog teksta (M15) je po klasifikaciji klasa IV, dakle jato sa kolapsom jezgra.  

Postoji još jedna interesantna stvar vezana za jato M15. Radi se o jednoj slatkoj maloj planetarnoj maglini, jednoj od ukupno četiri poznate da postoje u zbijenim jatima, ujedno i prvootkrivenoj. Zove se Pease 1 i otkrio ju je Francis Pease, astronom koji je mnogo više bio poznat kao optičar i konstruktor teleskopa. Njegov rad je dvoipometarski teleskop na Mt Wilsonu, kao i interferometar na njemu; a radio je i na konstrukciji petometarskog Palomara. 

Rezolucija je uvećana dvostruko tako da plava maglina od tri sekunde ima zapravo pet piksela, kao i uostalom svaka druga zvezda petnaeste magnitude na ovom snimku. Naravno, od rezolucije nema ništa, ona je stopljena sa okolnim zvezdama ali je odaje plavičasta boja. Nije ni čudo što je pre otkrića planetarne ovde stajalo da se radi o zvezdi Kuestner 648.

Zapravo je sam Kuestner ovu zvezdu izdvojio kao sumnjivu, budući da je u UV spektru bila neuobičajeno sjajnija od svih okolnih. Pease je trebalo samo da upotrebi spektroskop i eto otkrića planetarne. Naravno, odmah su se javili kritičari koji su navodili da je reč o projekciji, odnosno da je planetarna ispred M15; ali je merenje radijalne brzine ove maglinice pokazalo da se vrlo malo razlikuje od radijalnih brzina okolnih zvezda u M15. Drugim rečima, ta vrlo mala razlika, čak i ukoliko je tačno izmerena, nije dovoljna za bekstvo iz gravitacionog zagrljaja ovog globularnog jata.

Danas prihvaćene vrednosti su prilazak nama, 128km/sec za maglinu i 112km/sec za M15. Brzina bekstva bi bila oko 40km/sec. Treba reći da mi ovako (tj spektroskopski) merimo samo jednu komponentu kretanja odnosno isključivo udaljavanje ili približavanje. Ostala četiri smera u prostoru nemamo mogućnost da izmerimo, pošto paralaksa na ovim distancama ne može biti detektovana.

Zašto je ova neugledna stelarna planetarna ovoliko bitna? Realno, većina globularnih jata obiluje starim zvezdama. Neke su verovatno od njih i jedna od najranijih generacija, možda stare skoro koliko i Univerzum. Te zvezde su tzv Populacija II, potpuno nelogično klasifikacija ide unazad, obzirom da su sadašnje zvezde (kao i naše Sunce) poznate pod oznakom Populacija I. 

Suština je u tome što je mladi Univerzum bio sastavljen iz vodonika (75%) i helijuma (25%) kao i veoma male količine težih elemenata, praktično beznačajne (litijum i berilijum). Prve zvezde su imale isto takav sastav, bila je to Populacija III i to su bile prave fabrike težih elemenata koje su raznosile u prostor svojim supernova-eksplozijama. Sledeća generacija, Populacija II je imala mnogo više težih elemenata u sebi (npr kiseonik i neon) ali i dalje bez gvožđa ili nečeg još težeg. To mi imamo danas u današnjim zvezdama Populacije I. Moglo bi se reći da vremenom zvezde eksplodiraju i kontaminiraju svoju okolinu teškim metalima, tako da se naredne zvezdane generacije rađaju sa sve većim procentom teških elemenata.

I upravo nam je ovde važna Populacija II koju čine stare zvezde siromašne metalima. Njih ima po zbijenim jatima i centralnom galaktičkom ispupčenju. Spektar magline Pease 1 je pravi odraz okoline koja je vro stara i siromašna metalima: maglina ima 40 puta manje kiseonika od Sunca; azota 30 puta manje, a argon skoro da potpuno nedostaje (250 puta manje od Sunca). Ovo je i slika sastava zvezde Populacije II iz koje je maglina nastala, a koja je sad verovatno beli patuljak sakriven u centru magline, samo što se sa ove distance ne vidi. Masa patuljka pre odbacivanja spoljnih slojeva je bila oko 1.1 Sunčeve, dok je masa magline tj odbačenih spoljnih slojeva prilično neprecizno procenjena na 0.014-0.2 Sunčeve. Dakle, reč je o veoma maloj planetarnoj u svakom smislu.

Na kraju krajeva, ispitivanje ove magline nam može dati i odgovore na neka druga pitanja. Jedno je i pitanje gasa iz globularnih klastera. Naime, svi modeli predviđaju da bi ova jata morala da imaju i gigante i nadgigante (i imaju), kao i da giganti generalno mnogo gasa raspršavaju po okolnom prostoru. Ovaj gas bi morao da se registruje kao gasni interstelarni medijum odnosno međuzvezdana materija unutar globularnih jata - ali nije registrovan do sada. Jedna je pretpostavka da prolazak globularnih jata kroz galaktičku ravan efikasno isisava gas (galaktička ravan je oblast gde je gravitaciono privlačenje daleko najjače kad ste u njoj, zbog mase koja je tako poređana), druga pretpostavka navodi da pulsari iz jata svojim mlazevima razbacuju gas. Bilo kako bilo, ova mala planetarna maglinica se trenutno posmatra kao malo vode na dlanu - to je jedina međuzvezdana materija u zbijenim jatima trenutno nama poznata.