KAKO JE BREJDLI IZMERIO BRZINU SVETLOSTI

Zvezde nisu fiksne, iako su ih tako nazivali veoma dugo u naučnoj istoriji. Termin "sfere zvezda stajačica" je označavao najčešće kristalnu sferu u geocentričnom, Ptolemejevom sistemu koja je nosila zvezde i koje su bile podjednako udaljene od centra kosmosa - naše planete. Ostala nebeska tela koja su se kretala ispred te sfere, planete, Mesec, Sunce i komete su samo naglašavala ovaj kontrast sa nepokretnim zvezdama. Naravno da za vreme jednog ljudskog života promene  u položaju zvezda nisu bile uočavane; nije postojala ni fotografija pa da se neko iz budućnosti uveri u ono što smo mi danas videli; ostala su samo merenja, beleženja i svedočenja koja, itekako mogu da budu subjektivna (a često su to i bila).

Ono što je dovelo do razbijanja dogme o nepromenljivosti zvezdane sfere je bila eksplozija jedne od osam ukupno supernova koje su zabeležene u ljudskoj pisanoj istoriji: supernova iz 1572. godine, poznatija i kao Braheova supernova nije mogla doći u bolje vreme. Tiho de Brahe je ovu zvezdu opisao kao sjajniju od Venere i konstatovao je da se videla golim okom još više od dve godine. A kada je njegov poznati učenik i saradnik Johanes Kepler 1604. svedočio o još jednoj novoj zvezdi, takođe supernovi, bilo je jasno da je Aristotelovom mišljenju o nepromenjivosti nebesa odzvonilo. Filozofi se nisu oko toga potresli već Katolička Crkva koja je na tome zasnivala svoje učenje hiljadu godina unazad. Kepler je odlučio da o tome napiše knjigu (baš kao i de Brahe pre njega) što mu je i bio zadatak imajući u vidu finansijsku potporu Svetog Rimskog Cara Rudolfa II, vladara koji je usput mnogo više voleo da se bavi okultnim temama nego vođenjem države. Njegov antitalenat za vođenje carstva je doveo do izbijanja Tridesetogošnjeg rata ali i do njegovog posledičnog svrgavanja sa vlasti od strane rođenog brata.

Upravo u to neko vreme je počelo da se razmišlja o godišnjoj paralaksi zvezda stajačica koja bi morala da postoji ukoliko se Zemlja uopšte okreće oko Sunca. Naprosto zvezde bi morale makar malo da se pomere u toku perioda od šest meseci ukoliko se Zemlja kreće i to je jasno kao dan; samo što je bilo očigledno da je paralaksa veoma mala za tadašnje instrumente i da su stoga zvezde veoma udaljene. Ovo pomeranje do tada nije bilo sa sigurnošću detektovano i tokom celog XVIII veka mnogi velikani nauke i astronomije su se bacili na pokušaje da prvi uoče bilo kakvu paralaksu. Za početak je Edmund Hejli definisao sopstveno kretanje zvezda - zvezdano kretanje koje nije paralaksa - pogledao je položaj Sirijusa u Ptolemejevom Almagestu a onda to uporedio sa trenutnim stanjem. Ispostavilo se da se Sirijus za 1500 godina pomerio celih 30 minuta (jedan prečnik punog Meseca) ka jugoistoku i eto njemu otkrića. Ali ovo i dalje nije bilo ono što se traži.

U potrazi za paralaksom koja se ispostavila kao tvrd orah, ali i kao sveti gral nauke XVIII veka koji bi trebalo da dokaže ispravnost Kopernikovog pogleda na svet, na scenu stupaju dva Engleza, jedan političar i jedan naučnik. Političar je bio Samuel Molyneux, poslanik Parlamenta i Lord Admiraliteta kome su na raspolaganju bili raznorazni resursi, a naučnik James Bredly, kasnije Kraljevski Astronom. U Molineovoj ogromnoj kući su instalirali teleskop tako što su objektiv i okular pričvrstili za dimnjak - genije koji je ovu skalameriju osmislio i sastavio bio je George Graham, legendarni časovničar koji je u suštini izumeo časovnik sa klatnom. Ovaj vazdušni refraktor je bio usmeren prema zenitu (gde su turbulencije i refrakcija atmosfere najmanji) i mogao je za to vreme ekstremno precizno da meri tranzite nebeskih tela, zahvaljujući položaju okulara dole koji se veoma precizno štelovao šrafom i iscrtanom skalom. 

Zvezda koju su merili bila je Gamma Draconis, žutonarandžasti gigant u kadru gore desno (bez obzira što je označena kao gama to je u Zmaju zapravo najsjajnija zvezda, i nije to prva takva Bajerova greška). Levo je Vega, pogled je ka severozapadu. 

Ova zvezda ima korisnu osobinu da iznad Londona prolazi kroz sam zenit. Mereći njen tranzit u različito doba godine vesela družina se nadala da će otkriti paralaksu i uistinu su prve godine uočena odstupanja od položaja merene zvezde: Gamma je oscilovala oko ravnotežnog položaja i to je bilo itekako vidljivo i merljivo. Nije da su oni to prvi otkrili, Robert Huk je otkrio pedeset godina pre njih, ali ubrzo će im postati jasno da tu ništa nije jasno. Od decembra do juna zvezda se pomerila 20 uglovnih sekundi južno, a zatim se istim putem vraćala na suprotnu stranu. Ukupno je oscilacija iznosila 40 stepeni i to je jedan sasvim solidan Jupiterov prečnik, dakle nešto što se razlučuje i u najmanjim optičkim sistemima. U isto vreme je merena zvezda koja je na suprotnom kraju neba, 35 Camelopardalis, neupadljiva bela zvezda spektralne klase A:

Njeno kretanje je trebalo da bude referenca, odnosno grafik bi trebalo da izgleda kao odraz u ogledalu u odnosu na Gamma Draconis. Međutim, situacija nije bila jednostavna: 35 Cam je, kao prvo, oscilovala svega desetak stepeni oko osnovnog položaja, odnosno 19 stepeni ukupno, duplo manje od Game. Drugi problem je da ako nacrtamo grafik oscilacije ove dve zvezde vidi se da zapravo obe linije položaja stoje potpuno asimetrično a ne kao odraz u ogledalu. Kako je ovo moguće?

Brejdli je na početku izašao sa pretpostavkom o nutaciji, odnosno da Zemljina osa rotacije u prostoru takođe ima neke svoje oscilacije, odnosno da opisuje kružnice (što je uistinu tačno, ali nije razlog); premda je kasnije godinama merio tranzite drugih zvezda svojim teleskopom sa dosta širim vidnim poljem i sve su pokazivale oscilacije različitih amplituda. Činilo se da zvezde na severu više osciliraju a one na jugu manje i to je problem za nutaciju koja bi morala da bude simetrična sa oba Zemljina pola. Brejdli se ponovo bacio na razmišljanje.

Postoji navodna priča da je do rešenja došao tako što je gledao brodove na Temzi. Zastavice na vrhu jarbola su služile za određivanje pravca vetra, i kako su brodovi menjali smer kretanja, menjao se i smer u kojima zastavice pokazuju, iako se smer vetra u tim momentima uopšte nije menjao. Shvatio je da se Zemlja kreće u prostoru dok na nju stiže svetlost sa gorenavedenih zvezda uvek istom brzinom, jedino se menjao smer kretanje Zemlje i njena brzina. Brzina Zemlje na putanji, dakle, menja optički položaj zvezde jer svetlost takođe ima neku svoju brzinu, mnogo veću od Zemlje ali ipak definitivnu a ne beskonačnu. I ovo je suština fenomena aberacije svetlosti, svetlost sa zvezde "kasni" i "rani" u određenim položajima putanje i to je cela priča.

Inače nutacija se može definisati kao kratkotrajna komponenta Zemljine ose koja rotira opisujući na nebu kružnicu, dok je precesija dugotrajnija komponenta, opisujući ceo krug jednom u 26 hiljada godina. U oba slučaja mehanizam je isti: gravitaciono dejstvo Sunca i Meseca na planetu Zemlju čiji oblik odstupa od idealne kugle (zaravo je kruška). Te male nesavršenosti u obliku dovode do disbalansa koji se akumulira i eto objašnjenja - premda ovo svakako nije bilo poznato pre tri ipo veka. Zapravo nutacija Zemljine ose opisuje elipse 9.2 uglovne sekunde u periodu od 18 godina i to samo zbog toga što Mesečeva orbita takođe oscilira. Mesec inače nije u ekliptici (premda to tako izgleda), razlika je u proseku pet stepeni. Postoji još jedna komponenta nutacije: slobodna nutacija (Čendlerova) koja iznosi mnogo manje, 0.10-0.15 arcsec za period od 6 godina, za koju se danas pretpostavlja da ima veze sa okeanskim strujama i atmosferskim promenama.

Pravi značaj aberacije svetlosti kao pojave koju svetlost ispoljava kod objekata koji se kreću se tek u narednim vekovima ispoljio. Upravo objašnjenje aberacije je bilo ključno u etarskoj teoriji, a kasnije i teoriji relativnosti. Takođe razmatranje prirode svetlosti sa aspekta čestične teorije ima svoju usku povezanost sa aberacijom, a i elektromagnetizam u suštini. Naravno da ništa od ovoga nije bilo na umu otkrivačima aberacije sto godina pre Napoleona, ali je Brejdli ipak izvukao kao što je napomenuto, jedan vredan zaključak da aberacija zvezda ukazuje na nešto - na konačnu brzinu svetlosti. Do tada su inače mnogi mislili da je brzina svetlosti beskonačna.

Zašto je zvezda u Žirafi manje oscilovala od zvezde u Zmaju? Vrlo prosto, tranzitni teleskopi mere samo odstupanje u jednoj liniji, deklinacijskoj. Postoji i komponenta u rektascenziji (smeru rotacije nebeskog svoda) tako da svaka zvezda na polu zapravo pravi mali krug prečnika oko 40 sekundi. Zvezde na ekliptici prave linije oko osnovnog položaja, tj nemaju drugu komponentu, a sve zvezde između prave elipse. Dalje je Brejdli uporedio dimenzije elipse sa brzinom Zemlje na putanji i svetlosti, koje su se razlikovale za 10 210 puta. Tako je došao do rezultata od 295 000 km/sec za brzinu svetlosti, a na osnovu udaljenosti Zemlje od Sunca svetlost je trebalo da putuje 8 minuta i 12 sekundi. Ovo je prezentovano Kraljevskoj Akademiji i otkriće aberacije svetlosti i nutacije Zemlje su zacementirali Brejdlijev ugled, tako da je ostalo samo malo da sačeka da Edmon Halley umre, dvadesetak godina tačnije, i da onda on postane Kraljevski Astronom. Tada je to zaista bila čast ali i obaveza sa aspekta kartografije i navigacije, dok je danas taj položaj potpuno protokolarne prirode i nosi primanje od tradicionalnih sto funti godišnje, dovoljno za osam minuta leta helikopterom iznad Londona. Doduše nosi i činjenicu da postajete zvanično deo Kraljevske porodice, što je možda mnogo bitnije od tih sto funti.

Uprkos otkrićima nutacije i aberacije J. Bradley ipak nije uspeo da detektuje paralaksu ni kod jedne zvezde. A izmerio je grešnik položaje za tri hiljade zvezda... Prvu (tačno) izmerenu vrednost paralakse za neku zvezdu dugujemo Tomasu Hendersonu 1832. godine koji je izmerio da Alpha Centauri tokom godine osciluje 750 miliarksekundi, odnosno skoro jednu arksekundu. Svemirska trka ko će pre do paralakse je besnela sve vreme i potpuno je nejasno zašto je Henderson oklevao sa objavljivanjem podataka, verovatno sumnjajući u iste; tako da ga je Friedrich W. Bessel pretekao posle 6 godina i objavio paralaksu zvezdanog para 61 Cygni. Inače ovo je poslužilo i Beselu i Hendersonu da relativno precizno odrede distance do ovih zvezda, s tim da su greške bile neminovne zbog nepreciznosti tadašnjih teleskopa: Englez je pogrešio za 25% a Nemac desetak posto, što je sve i dalje fascinantno. Sve ovo je bilo moguće ako se na refraktor unutar optičkog puta montira tzv heliometer, obično ravno prelomljeno stakleno sočivo čije dve polovine ne rade ništa drugo osim što mogu da veoma precizno menjaju ugao između sebe. Heliometar je genijalni izum, precizniji od Brejdlijevog okulara montiranog na drvenoj letvi ali kao i mnoge druge stvari postao je praktično upotrebljiv tek kad se neki opsesivno-kompulzivni Nemac dohvati istog - u ovom slučaju je Fraunhofer napravio heliometar i bio je karakterističan između ostalog po smanjenju atmosferske turbulencije u okularu, zahvaljujući aperturi od 157mm na koliko je jednostavno smanjena originalna 330mm apertura refraktora u Kenihbergu. To naravno nije bila nikakva namera već posledica dizajna, ali velika žižna daljina i relativno mala apertura mogu itekako pomoći u stabilisanju slike, naročito u prvoj polovini preprošlog veka gde je sve bilo mnogo rudimentiranije nego danas. Pomoću šrafa i skale moguće je postići dvostruku sliku posmatranog objekta u heliometru a ujedno i pročitati koliki je ugao između dve polovine slike; originalno je ovaj dodatak bio namenjen merenju prečnika Sunca (otuda i naziv) ali je smesta postalo jasno da je zbog svoje do tada nezabeležene preciznosti kao stvoren za merenje prečnika planeta i separacije dvojnih zvezda. Zašto ga ne iskoristiti za merenje paralakse?

Inače prava vrednost paralakse Gamma Draconis iznosi 21 miliarksekundu i to je nekih dve hiljade puta manje od vrednosti koju su (mislili da su) izmerili Englezi u XVIII veku zureći kroz dimnjak.