Odkrycie promieniowania neutralnego wodoru w per

Odkrycie promieniowania neutralnego wodoru w per

Zenon E. Roskal
Odkrycie promieniowania neutralnego wodoru w perspektywie kosmofilozofii
1. Wstęp
Historia teoretycznego odkrycia linii wodoru o długości 21 cm (1420
MHz) oraz jego doświadczalnego potwierdzenia jest bardzo interesująca
z filozoficznego punktu widzenia, ale zarazem tylko w niewielkim stopniu jest opracowana. Dodatkowym argumentem jest także i to, że w bieżącym roku konfiguracja ciał niebieskich (Słońca i Księżyca) jest bardzo
podobna do tej jaka była w momencie dokonywania odkrycia1. Techniczno-technologiczne uwarunkowania metod detekcji promieniowania
neutralnego wodoru oraz wykorzystanie tego promieniowania we
współczesnej kosmologii do poznania struktury i dynamiki naszej galaktyki, ale także wielkoskalowej struktury wszechświata, supermasywnych czarnych dziury oraz procesów tworzenia protogalaktyk to zagadnienia, które mogłyby być opracowane nie tylko z punktu widzenia kosmologii i filozofii nauki (kosmologii), ale także z perspektywy poznawczej kosmofilozofii (filozofii przyrody nieożywionej). Większe znaczenie
dla kosmofilozofii ma jednak wykorzystanie tego odkrycia w programie
poszukiwania pozaziemskiej inteligencji. Dlatego skupimy się na tym
aspekcie odkrycia promieniowania neutralnego wodoru.
Kosmofilozofię można rozumieć jako uwspółcześnioną wersję filozofii
przyrody nieożywionej (kosmologii filozoficznej) rozwijanej w ramach
_____________
1 Często powodem podejmowania przez historyków nauki danej problematyki są
rocznice (najlepiej wyrażające się w pełnych dziesiątkach lat) wydarzeń z nią związanych. W kalendarzu słonecznym oznacza to, że uwzględnia się tylko pozycję Słońca
zupełnie natomiast pomija się pozycję Księżyca. Niektóre odkrycia dokonane jednak
zostały przy charakterystycznej konfiguracji obu tych niebieskich ciał. Do takich odkryć
należy też doświadczalne potwierdzenie istnienia promieniowania neutralnego wodoru.
Odkrycia tego dokonano w nocy z soboty na niedzielę wielkanocna 25 marca 1951 r. Taka
konfiguracja Słońca i Księżyca prawie dokładnie przypada w tym roku [2008 – przyp.
red.], gdyż niedziela wielkanocna przypada na 23 marca. Jest to okoliczność, która może
rozszerzać argumentację uzasadniającą aktualność problematyki odkrycia promieniowania neutralnego wodoru. Okrągła rocznica (50-ta, pół wieku) przypada natomiast w
przyszłym roku w związku z publikacja artykułu Cocconiego i Morrisona na temat możliwości nawiązania kontaktu z cywilizacjami pozaziemskimi. Por. przypis nr 23.
różnych szkół i nurtów filozoficznych, ale także jako kontynuację tej tradycji filozoficznej, w której człowiek jest ujmowany jako twórca przekształcający odziedziczony Ład świata w kosmos swojego Rozumu. W
ramach tej tradycji postuluje się stworzenie nowego gatunku – homo galacticus, który będzie posiadał najlepsze cechy ujawnione w historii rodzaju ludzkiego i zarazem przerastał go wiedzą i moralnością. W tym
celu – zdaniem kosmofilozofów – nieodzowna jest nie tylko współpraca
realizująca globalne cele, ale także próba nawiązania kontaktu z cywilizacjami pozaziemskimi. Zadanie to stało się możliwe do zrealizowania
stosunkowo późno, wówczas gdy cywilizacja ziemska uzyskała techniczne możliwości detekcji i emisji fal radiowych. Aczkolwiek pierwsze
próby tego rodzaju sięgają końca XIX wieku, to jednak dopiero po II
wojnie światowej poziom wiedzy technicznej okazał się na tyle zaawansowany, że detekcja sygnałów od cywilizacji pozaziemskich stała się realna. Centralną rolę w tym procesie odegrało odkrycie promieniowania
neutralnego wodoru, którego ,,magiczna częstotliwość’’ została wykorzystana do nasłuchu sygnałów pochodzących od pozaziemskich cywilizacji.
Powiązanie odkrycia promieniowania neutralnego wodoru z poszukiwaniem cywilizacji pozaziemskich jest powszechnie znane wśród radioastronomów, ale wiedza ta nie jest reflektowana przez (kosmo)filozofów. Wykorzystanie własności promieniowania neutralnego
wodoru, które jest w samym środku tzw. dziury wodnej2 w programach
_____________
2 Pojęcie dziury wodnej zostało wprowadzone w związku z tłumieniem przez ziemską atmosferę pewnych częstotliwości sygnałów radiowych. Okazuje się, że istnieje zakres częstotliwości między liniami neutralnego wodoru (1,42 GHz) i rodnika wodorotlenowego OH (1,64 GHz), w którym tłumienie to jest stosunkowo niewielkie. Por. M.
Subotowicz, W poszukiwaniu życia rozumnego we wszechświecie. Zagadnienia wybrane, Lublin: Wydawnictwo UMCS 1995, s. 167–168. Pojęcie to wyposażane jest także w metaforyczną interpretację, zgodnie z którą ten zakres częstotliwości jest analogiczny do zbiornika wodnego, wokół którego gromadzą się (i komunikują się między sobą) zwierzęta.
Podobnie cywilizacje pozaziemskie powinny wykorzystywać ten zakres częstotliwość do
wzajemnej komunikacji. W tym miejscu warto uczynić dygresję na temat tej metafory,
która – według jednego z wczesnych pomysłów F. Drake’a – przybrała formę zdjęcia
zatytułowanego ,,kałuża’’ i przedstawiającego różne gatunki zwierząt u wodopoju. Zdjęcie to (nr 59) zostało wysłane w kosmos razem z innymi obrazami Ziemi zabranymi na
pokładzie Voyagera 1 i Voyagera 2. Por. C. Sagan (red.), Marmurs of Earth. The Voyager
Interstellar Record (tłum. pol. J. Bieroń, Szepty Ziemi. Międzygwiezdna wiadomość Voyagerów,
Poznań, Zysk i S-ka 2003, s.110; por. także szczegółowe informacje na temat ,,okna wodnego’’ w pracy J. S. Szkłowski, Wszechświat, życie, myśl (tłum. pol. Z. Jethon), Warszawa,
PWN 1965, s. 292–295, który częstotliwość 1420 MHz nazywa ,,częstotliwością podstawową’’.
2
CETI-SETI3 wpisuje odkrycie nadsubtelnego promieniowania neutralnego wodoru pośrednio także i w kontekst kosmofilozofii. Interpretacje tej
tezy oraz wstępna charakterystyka kosmofilozofii to główne cele tego
artykułu.
Inne zastosowania promieniowania neutralnego wodoru zostaną tylko zaledwie wspomniane, gdyż zarówno ich liczba, jak i znaczenie dla
stanu współczesnej wiedzy o kosmosie jest tak duże, że byłoby nieporozumieniem ich analizowanie w tak ograniczonej formie wypowiedzi.
2. Historyczno-teoretyczny kontekst teoretycznego odkrycia promieniowania neutralnego wodoru
W okresie okupacji na uniwersytecie w Lejdzie nie było możliwości
prowadzenia obserwacji astronomicznych. Dyrektorem obserwatorium
był wówczas Jan H. Oort (1900–1992), który starając się rozwiązać ten
problem organizował w miejsce obserwacji dyskusje. W małych grupkach studentów dyskutowano wówczas m.in. teoretyczne aspekty badania kosmosu wykorzystujące metody detekcji promieniowania elektromagnetycznego w zakresie fal radiowych.
Zastosowanie spektroskopu w astronomii przyczyniło się do głębokiej
przebudowy astronomii w drugiej połowie XIX wieku4. Jednakże – zdaniem Oorta – detektory promieniowania radiowego nie mogą się równać
ze spektroskopem optycznym5. Oort był głęboko przekonany, że przy
_____________
3 Początkowo funkcjonował akronim CETI (Communication with ExtraTerrestial Inteligence), później – jako bardziej adekwatny – wprowadzono akronim SETI (Search for
Extraterrestial Inteligence). Współcześnie są realizowane zbliżone programy o różnych
nazwach m.in. programy SERENDIP (Search for Extraterrestrial Radio from Nearby
Developed Populations) i META II (Million-channel Extra-Terrestrial Assay), COSETI
(Columbus Optical SETI). Por. F. Drake, D. Sobel, Czy jest tam kto? Nauka w poszukiwaniu
cywilizacji pozaziemskich, Warszawa, ,,Prószyński i S-ka’’ 1996, s. 308–312; Z. Dworak, Z.
Paprotny, Z. Sołtys, Milczenie wszechświata, Warszawa, WP 1997, s. 120–193, gdzie szczegółowo programy te są charakteryzowane.
4 Nowe metody badania kosmosu wypracowane przez spektroskopię wykorzystującą
zjawisko Dopplera pozwoliły nie tylko na uzyskanie informacji na temat składu chemicznego gwiazd oraz zjonizowanych obłoków gazu, ale także na temat ich ruchów. Nie
można było jednak przy pomocy tych metod uzyskać informacji na temat innych składników przestrzeni kosmicznej.
5 W owym czasie radioastronomia praktycznie nie istniała, aczkolwiek już w końcu
XIX wieku Thomas Alva Edison (1847–1931) i Oliver Lodge (1826–1884) próbowali wykryć fale radiowe pochodzące ze Słońca. Przypadkowego odkrycia fal radiowych pochodzących z kosmosu, jednakże nie ze Słońca, ale z Drogi Mlecznej dokonał w 1932 r. ame-
3
pomocy metod detekcji promieniowania radiowego nie można zmierzyć
ani odległości ani prędkości, ani wreszcie temperatury obserwowanych
obiektów6. W toku dyskusji zrodził się problem, który do rozwiązania
otrzymał jeden ze studentów Oorta – Van de Hulst. Problem został sformułowany w następujący sposób: czy można oczekiwać, że w zakresie
promieniowania radiowego docierają do nas sygnały od jakiegoś znanego składnika przestrzeni międzygwiezdnej? Jak wiadomo promieniowanie radiowe charakteryzuje się tym, że jego kwanty mają bardzo małą
energię w porównaniu z kwantami promieniowania elektromagnetycznego w tzw. oknie optycznym. Problem sprowadzał się zatem do tego
czy w zimnych przestrzeniach międzygwiazdowych może istnieć atom
lub cząsteczka, która ma poziomy energetyczne różniące się od siebie o
energię rzędu 10-11 erga. Hendrik C. Van de Hulst teoretycznie wykazał,
że niezjonizowany atom wodoru (H I) posiada dwa poziomy energetyczne o takiej różnicy energii.
W swoich rozważaniach Van de Hulst przede wszystkim zwrócił
uwagę na to, że najniższy poziom (–13,6 eV) jest rozczepiony dodatkowo
na dwa ze względu na sprzężenie magnetyczne pomiędzy protonem i
elektronem. Energia stanu podstawowego wodoru, określona przez oddziaływanie czysto elektrostatyczne różnicuje się o wielkość 6 x 10-6 eV.
Powiększa się dla spinów zorientowanych równolegle i pomniejsza dla
spinów zorientowanych antyrównolegle. Przy zmianie orientacji spinu
elektronu emitowany jest foton o energii 6 x 10-6 eV, któremu odpowiada
długości fali 21 cm, czyli w środku tzw. okna radiowego. Aczkolwiek
tego typu przejście jest wzbronione przez mechanikę kwantową, to jednak dla danego atomu może ono zachodzić spontanicznie raz na 10 milion lat. Van de Hulst przyjął, że prawdopodobieństwo takiego przejścia
_____________
rykański inżynier-radiotechnik Karl Jansky (1905–1950). Jednakże astronomowie nie byli
zainteresowani tym odkryciami, gdyż nie dostarczały one nowych informacji. Subramaniam Chandrasekar (1910–1983), który był w latach 30-tych redaktorem czasopisma
Astrophysical Journal po otrzymaniu artykułu Janskiego na temat odkrycia promieniowania radiowego Drogi Mlecznej myślał, że jest to żart.
6 Prowadzone w latach 30-tych XX-wieku badania absorpcji światła w przestrzeni kosmicznej wykazały, że jest ona praktycznie pusta, zawierając niezwykle rzadko występujące cząsteczki gazu i pyłu. Jednakże już w roku 1937 udało się (Otto Struve /18971963/, Christian T. Elvey /1899-1970/) potwierdzić istnienie w przestrzeni międzygwiezdnej obszarów zjonizowanego wodoru. Dwa lata później duński astrofizyk Bengt
Strömgren (1908–1987) wykazał, że przestrzeń międzygwiazdowa rozpada się na wyraźnie na dwa rozgraniczone obszary wokół gwiazd: wodoru neutralnego (obszary H I) i
wodoru zjonizowanego (obszary H II), tzw. sfery Strömgrena.
4
mogłoby być znacznie większe gdyby uwzględnić zderzenia pomiędzy
atomami. Szacunkowe obliczenia prowadziły do wyniku, zgodnie z którym jeden cm3 wodoru emituje jeden foton o energii 6 x 10-6 eV (21 cm)
raz na kilkaset lat. Przy uwzględnieniu objętości obłoków wodoru międzygwiezdnego Van Hulst mógł przyjąć, że takie promieniowanie powinno dać się zaobserwować. Według jego obliczeń7 linia wodoru powinna mieć długość 21,16 cm, co odpowiada częstości 1417,777 MHz.
Hendrik C. Van de Hulst zdało sobie sprawę z tego, że obserwacja tej
linii może dać informację o prędkościach obłoków wodorowych w przestrzeni międzygwiezdnej, a także z pomiarów natężenia tej linii wnioskować o ilości wodoru. Jeszcze w czasie wojny – w 1944 roku – odbyło
się seminarium poświęcone pionierskim pracom Grote’a Rebera nad
mapą radiową Galaktyki8. W czasie tego seminarium Van de Hulst zaprezentował swoje wyniki. W konkluzji stwierdził, że można będzie zaobserwować słaby sygnał radiowy, który jest emitowany przez główny
składnik materii międzygwiazdowej jakim jest neutralny (niezjonizowany) wodór. Bezpośrednio po wojnie wyniki Van de Hulsta zostały opublikowane a autor przystąpił do prób doświadczalnego potwierdzenia
_____________
7 W badania laboratoryjnych wykonanych po II wojnie światowej na uniwersytecie
Columbia wykorzystano do wyznaczenia częstotliwości promieniowania nadsubtelnego
neutralnego wodoru elementy aparatury wykorzystywanej w technice radarowej. Rozwiązania technologiczne wówczas uzyskane pozwoliły zmierzyć tę częstotliwość Pierwsze wyniki (1421, 3 ± 0, 2 MHz) uzyskali J. E. Nafe, E. B. Nelson i I. I. Rabi już 1947 r. (The
Hyperfine Structure of Atomic Hydrogen and Deuterium, ,,Physical Review’’ 71 (1947): 914).
Kolejne pomiary wykonane trzy lata później (A. G. Prodell, P. Kusch, On the Hyperfine
Structure of Hydrogen and Deuterium, ,,Physical Review’’ 79 (1950): 1009–1010) dały poprawiony wynik (1 420, 4051 ± 0, 0003 MHz), ale przede wszystkim większą o kilka rzędów wielkości precyzję pomiaru, co świadczy o bardzo szybkim postępie w zakresie
radiometrii na przełomie lat czterdziestych i pięćdziesiątych. Bardziej dokładne pomiary
A. G. Prodella i P. Kuscha były cytowane w artykule H. Ewena i E. Purcella, w którym
donosili o odkryciu promieniowania neutralnego wodoru. Badania te w poważnym
stopniu ułatwiły detekcję promieniowania neutralnego wodoru, gdyż – jak zauważył
Ewen – nie można było przegapić linii o tak precyzyjnie określonej długości w szerokim
zakresie odbieranych częstotliwości.
8 Grote Reber (1911–2002) przez pewien czas był jedynym radioastronomem. W 1937
zbudował samodzielnie paraboliczny radioteleskop (o średnicy 9,4 m), przy pomocy
którego zaobserwował kilka niezależnych źródeł promieniowania radiowego (znanych
dzisiaj pod nazwami Cassiopeia A, Cygnus A i Sagitarius A). G. Reber, Cosmic static,
,,Astrophysical Journal’’ 91 (1940): 621–624. Aczkolwiek Holandia w tym czasie była
odcięta od amerykańskich czasopism, to jednak ten numer (z artykułem Rebera) dotarł J.
Oorta, który przekazał go Van de Hulstowi.
5
swojego odkrycia9. W 1946 r. otrzymał posadę w Obserwatorium Yerkesa w Wisconsin. W Ameryce próbował zjednać dla tego pomysłu pioniera radioastronomii – Grote’a Robera, ale ten nie podzielał zainteresowań
Van de Hulsta. Tymczasem entuzjastą wykorzystania techniki radioteleskopowej okazał się J. Oort, który był gorącym zwolennikiem badania
monochromatycznych linii widmowych w paśmie radiowym wierząc, że
przyniosą one wyniki porównywalne z badaniem tego typu linii w widmie optycznym. Wykorzystano nawet do tego celu stary radar typu
Würzburg dysponujący ruchomą paraboliczną anteną10 pozostawiony
przez niemieckie wojska oraz pierwszą powojenną holenderską dotację
na rozwój astronomii, dodatkowo korzystano z pomocy radiostacji w
Kootwijk, ale posuwano się na tej drodze bardzo powoli. Zdecydowanie
szybciej problem udało się rozwiązać za oceanem, gdzie współpraca Eda
Purcella11 (odkrywcy rezonansu magnetycznego) i jego doktoranta Harolda Ewena wkrótce przyniosła rozwiązanie problemu.
3. Kontekst technologiczno-techniczny odkrycia linii 1420 MHz
Doświadczalne potwierdzenie12 istnienia nadsubtelnego promieniowania wodoru stało się udziałem uczonych, którzy niewiele mieli
wspólnego z astronomią. ,,Ed Purcell myślał o jądrach atomowych, natomiast na niebie nie rozróżniał nawet gwiazdozbiorów. Znał podstawowe fakty z radioastronomii, którą stworzyli inni specjaliści od radaru
_____________
9 H. C. Van de Hulst, Radiogolven uit het Wereldruim. II. Herkomst der Radiogolven,
,,Nederlansee Tijdschrift voor Natuurkunde’’ 11 (1945): 210-221.
10 Główne parametry były następujące: średnicy anteny 7,5 m i ogniskowej 1,7 m, szerokość wiązki 20 48'. A. Muller, J. H. Oort, The Interstellar Hydrogen Line at 1420 Mc./sec,
and an Estimate of Galactic Rotation, ,,Nature’’, 168 (1951): 357.
11 Edward Mills Purcell (1912–1977) studiował na Uniwersytecie Purdue (Indiana)
oraz w Technische Hochschule w Karlsruhe. Doktorat uzyskał w 1938 na Uniwersytecie
Harvarda. E. Purcell i F. Bloch w 1952 roku uzyskali Nagrodę Nobla z fizyki. ,,Za rozwinięcie metody precyzyjnych pomiarów rezonansu magnetycznego i dokonane w związku
z tym odkrycia’’. Jednakże Purcell bardzo często wyrażał pogląd, że wykrycie promieniowania neutralnego wodoru ma większe znaczenie dla astronomii niż odkrycie rezonansu magnetycznego dla fizyki. Por. B. Bleaney, Edward Mills Purcell. 30 August 1912–7
March 1997, ,,Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society’’ 45 (1999): 438–447,
gdzie można znaleźć m.in. szczegółową biografię E. Purcella oraz bibliografię jego prac
naukowych.
12 Podstawowe dane podaje K. D. Stephan, How Ewen and Purcell discovered the 21-cm
interstellar hydrogenline, ,,Antennas and Propagation Magazine, IEEE’’, 41/1 (1999): 7–17.
6
z czasów wojny, tacy jak Taffy Bowen, Bernard Lovell i Martin Ryle, i
wiedział, że spowodowała rewolucję w astronomii, ale to było wszystko.
[…] Można powiedzieć, że jest fizykiem, inżynierem, nawet chemikiem,
gdyż jego badania w pewnym sensie stanowiły rozwinięcie liczącej sto
lat spektroskopii, ale na pewno nie był astronomem’’13. Jego doktorant –
Harold Ewen, absolwent Amherst College, jako najmłodszy wykładowca
w historii tej uczelni prowadził wykłady z matematyki, fizyki i astronomii, a także wykłady z mechaniki niebieskiej dla kadetów z West Point,
ale po wojnie zamierzał zostać prawnikiem (zapisał się do Harvardzkiej
Szkoły Zarządzania).
Przy ówczesnym poziomie technicznych możliwości detekcji fal
radiowych centymetrowej długości (mikrofale) wykrycie takie sygnału było możliwe, ale problemem była bardzo mała jego moc. Według Purcella ,,Ilość wodoru [we Wszechświecie] i jego temperatura
jest tego rzędu, że całkowita moc promieniowania padającego na
Ziemię, promieniowania o tej szczególnej częstości, wynosi zaledwie
jeden wat’’14. Tak mała moc sygnału sprawiała, że wykrycie linii
widmowej wydawało się bardzo mało prawdopodobne. Mała moc
sygnału nie wyczerpywała wszystkich problemów związanych z jego
detekcją. Ówczesna wiedza nie pozwalała rozstrzygnąć kwestii: czy
sygnał ma postać linii emisyjnej, czy może też linii absorpcyjnej?
Trudno było określić także szerokość linii, ale najbardziej niepokojąca
był możliwość, że sygnał jest sprzężony z szumem kosmicznym w
taki sposób, że nie można będzie go wyróżnić z tła15. W taki przypadku byłby on praktycznie niewykrywalny16. Wszystkie te okoliczności sprawiały, że ogromne naukowe znaczenie problemu (m.in.
_____________
R. Buderi, Radar, s. 308.
Cyt. Za R. Buderi, Radar, s. 311. W praktyce potrzeba było dokonać detekcji sygnału
rzędu 0,5 x 10-15 [W/m2]. Dla porównania powiemy, że ucho ludzkie jest w stanie odbierać sygnały (próg słyszalności, przy częstotliwości 1 KHz) rzędu 10-12 [W/m2]. Współcześnie w ramach programu SETI odbierane są sygnały rzędu 10-27 [W/m2].
15 Jak żartobliwie zauważył H. Ewen: ,,Tak mało wiedziano na ten temat, że mogli
mnie nawet przepędzić z miasta, gdyby dowiedzieli się, że nad tym pracuję’’. Cyt. za R.
Buderi, Radar, s. 309.
16 Jednakże rosyjski astrofizyk J. S. Szkłowski (Monochromatic radiation from the galaxy and the possibility of its observation, ,,Astronomicheskii Zhurnal’’, 26 (1949): 10),
oceniał, że znalezienie linii promieniowania będzie łatwe. H. Ewen znał pracę
Szkłowskiego, którą na angielski przetłumaczyła żona Purcella – Beth. Ewen żartobliwie skomentował artykuł Szkłowskiego mówiąc, że według rosyjskiego astrofizyka wykrycie promieniowania neutralnego wodoru było tak łatwe, że wystarczyło
,,polizać palec, podnieść do góry i wykryć wodór’’. Cyt. za R. Buderi, Radar, s. 311.
13
14
7
możliwość badania struktury i dynamiki Drogi Mlecznej przy pomocy analizy promieniowania neutralnego wodoru) równoważyło nikłe
szanse wykrycia linii 21 cm. Pomimo potencjalnie ogromnego znaczenia naukowego przedsięwzięcia było ono realizowane przy pomocy niewielkich funduszy. Purcell uzyskał 500 dolarów z Funduszu
Rumforda (większość tej kwoty poszła na konstrukcję anteny), który
finansował projekty aparatury badawczej służącej do bardzo czułych
pomiarów wielkości termodynamicznych (poszukiwanie linii 21 cm
zostało przedstawione przez Purcella jako pomiar temperatury przestrzeni kosmicznej). Generatory sygnałów i aparatura elektroniczna
były natomiast nieodpłatnie wypożyczana przez Laboratorium Fizyki
Jądrowej Uniwersytetu Harvarda.
Pierwsze wyniki uzyskał Ewen w nocy z 23 na 24 marca (Wielki Piątek) 1951 r. Potwierdzenie tych wyników udało się uzyskać także następnej nocy, ale ostrożność Purcella była tak duża, że przed ogłoszeniem odkrycia chciał uzyskać potwierdzenie w niezależnych ośrodkach.
W Lejdzie, gdzie wcześnie prowadzono poszukiwania linii 21 cm neutralnego wodoru, ale początkowo napotkano na liczne techniczne przeszkody, których kulminacją był pożar, który zniszczył podstawowe części aparatury badawczej17 po uzyskaniu informacji na temat sukcesu H.
Ewena, w krótkim czasie sześciu tygodni (11 maja) odkrycie potwierdzono18. W Australii pracujące niezależnie dwa zespoły badawcze pod
kierownictwem Christiansena i Hindmana – po informacji o odkryciu
wraz z podaniem szczegółów technicznych przedsięwzięcia oraz połączeniu sił – już 12 lipca 1951 r. donosiły o detekcji linii neutralnego wodoru w naszej Galaktyce.
Odkrycie promieniowania neutralnego wodoru wybitnie poszerzyło
wiedzę o kosmosie, przede wszystkim o strukturze i dynamice Drogi
Mlecznej. Pierwsze wyniki badań rozmieszczenia wodoru w naszej galaktyce pokazały, że jest on skupiony głównie w płaszczyźnie Galaktyki
w cienkiej warstwie oddalonej o 1200 lat świetlnych od Ziemi, widocznej
_____________
17 Był to punkt zwrotny w badaniach. W. T. Sullivan, Discovery and First Observations
of the 21-cm Hydrogen Line, ,,Bulletin of the American Astronomical Society’’, 37 (2005):
707 zauważa, że – paradoksalnie – pożar przyspieszył badania, gdyż w tych okolicznościach zatrudniono nowego inżyniera (Aleksandra C. Mullera), który okazał się kluczową
postacią dla tego przedsięwzięcia.
18
Publikacje na temat odkrycia ukazały się równocześnie w tym numerze czasopisma
,,Nature’’. H. I. Ewen, E. M. Purcell, Observation of a Line in the Galactic Radio Spectrum,
,,Nature’’, 168 (1951): 356-357; C. A. Muller, J. H. Oort, The Interstellar Hydrogen Line at 1420
Mc./sec, and an Estimate of Galactic Rotation, ,,Nature’’, 168 (1951): 357-358.
8
w kierunku gwiazdozbiorów Orła, Tarczy Sobieskiego i Wężownika.
Połączone zespoły badawcze z Lejdy i Sydney zaczęły sporządzać mapę
neutralnego wodoru odpowiednio na północnej i południowej hemisferze. Mort Roberts był jednym z pierwszych astrofizyków, którzy rozpoznali wielkie znaczeniu obserwacji promieniowania neutralnego wodoru
w obłokach tego gazu znajdujących się poza naszą galaktyką. Już w 1962
roku pisał na temat wykorzystania tych obserwacji do analizy struktury i
dynamiki galaktyk spiralnych19.
W perspektywie teorii wielkiego wybuchu informacja jakie niesie
promieniowanie nadsubtelne wodoru (energia wzbudzenia neutralnego
wodoru jest znacznie niższa niż energia fotonów, które emituje wodór,
gdy elektrony przeskakują z wyższych orbit na niższe) powinno pochodzić z bardzo wczesnych etapów ewolucji kosmosu, gdy nie istniały jeszcze gwiazdy (energia promieniowania tła oraz energia wyzwalana podczas zderzeń atomów wystarczały do emisji nadsubtelnego promieniowania wodoru) i tym samym stanowić cenne źródło dla kosmologii
wczesnego wszechświata.
3. Aplikacje nadsubtelnego promieniowania wodoru w programie
badawczym CETI-SETI i ich znaczenie dla kosmofilozofii
We współczesnej literaturze przedmiotu termin kosmofilozofia jest zamiennie używany z takimi terminami jak filozofia kosmizmu, filozofia kosmiczna lub kosmozofia20. Czasami używa się także terminu astrozofia. Najczęściej przez kosmofilozofię rozumie się filozofię, która wyrasta z dziedzictwa intelektualnego Włodzimierza Wiernadskiego (1863–1945), ale
także P. Teilharda de Chardina (1881–1955), Konstantego Ciołkowskiego
(1857–1935), czy Carla Sagana (1934–1996). Tak różnorodne źródła powodują, iż kosmofilozofia nie jest homogenicznym prądem ideowym.
Wręcz przeciwnie, różne komponenty prowadzą do radykalnie odmiennych jej wersji. Doktryny z zakresu średniowiecznej i renesansowej filozofii przyrody akcentujące homologię pomiędzy makrokosmosem
(wszechświatem) i mikrokosmosem (człowiekiem) zmodyfikowane na
kanwie ewolucjonizmu zostały w ramach kosmofilozofii przekształcone
_____________
19
M. Roberts, The Neutral Hydrogen Content of Late-Type Spiral Galaxies, ,,Astrophysical
Journal’’ 67 (1962): 437.
20 Takiej konwencji przestrzega J. Ciechanowicz (Filozofia kosmizmu. Konstanty Ciołkowski czyli kosmos szczęśliwy, Rzeszów 1999, s. 23).
9
w koncepcję wstępującej ewolucji kosmosu i człowieka, który jako najwyższy wytwór biosfery predestynowany jest do sterowania procesami
przyrodniczymi. Wyrazem tej koncepcji są kategorie noosfery21 i pneumatosfery rozumiane jako epoki, w których ludzkość dzięki rozwojowi
intelektualnemu i moralnemu osiąga nie tylko ostateczną wiedzę na temat Wszechświata, ale także jednoczy się w wysiłkach zapewnienia
szczęśliwej przyszłości dla świata i człowieka. W ujęciu Wernadskiego,
który wprowadził pojęcie cefalizacji w celu konceptualizacji tego zjawiska, ewolucja świata i człowieka ma charakter obiektywny i nieodwracalny prowadząc do głębokich więzów łączących człowieka i kosmos i
zapewniając mu ostateczną i pełną kontrolę wszystkich procesów przyrodniczych.
W projekcie struktury filozofii przyrody w ujęciu systemowym22
przedstawionym przez J. M. Dołęgę filozofia przyrody ma cztery działy,
które zostały przez autora projektu nazwane odpowiednio: 1) epistemologia i metodologia filozofii przyrody, 2) kosmofilozofia, 3) biofilozofia i
4) ekofilozofia. Wśród zagadnień przewidzianych dla kosmofilozofii
zostały wymienione następujące ich grupy: 1) charakterystyka nauk fizykalnych, 2) właściwości bytu materialnego, 3) teorie bytu materialnego, 4) determinizm, indeterminizm, przyczynowość, prawa przyrody, 5)
modele kosmologiczne. Z powyższej charakterystyki kosmofilozofii wynika, że została ona potraktowana jako synonim filozofii przyrody nieożywionej rozwijanej w ramach filozofii neotomistycznej, zwłaszcza w
tzw. neotomizmie lowańskim. Autor projektu nie podał szczegółowej
charakterystyki kosmofilozofii, ale można domniemywać, że problematyka odkrycia naukowego co najwyżej mogłaby zostać uwzględniona w
pierwszej grupie zagadnień wchodzących w skład kosmofilozofii. Odkrycie promieniowania neutralnego wodoru wpisuje się – jak sądzę –
także w piątą grupę zagadnień, gdyż niewątpliwie badania wykorzy_____________
21 Pojęcie noosfery wprowadzili w 1927 r. P. T. de Chardin i E. Leroy. W pierwotnym
zamyśle przez noosferę rozumiano geologiczną warstwę Ziemi wzbogaconą przez artefakty. T. de Chardin wprowadził jednak do tego pojęcia czynniki z zakresu swojej wizji
kosmosu. W jego ujęciu noosfera to duchowa sfera powstała wraz z ewolucją człowieka i
zarazem miejsce narodzin superczłowieka (człowiek dzięki noosferze uczestniczy w
duchowym rozwoju kosmosu). Pierwotną koncepcję noosfery kontynuował natomiast W.
I. Wiernadski, który ujmował ją jako warstwę materialną (geologiczną), modyfikowaną w
wyniku działalności technicznej człowieka. Por. H. Korpikiewicz, Kosmoekologia z elementami etyki holistycznej. Hipoteza Gai-Uranosa, Poznań, Prodruk 2002, s. 244.
22 Por. J. M. Dołęga, Ekofilozofia jako filozofia przyrody zorientowana na potrzeby ochrony
przyrody, ,,Roczniki Filozoficzne’’ 54 nr 1 (2006): 351–352.
10
stujące to promieniowanie w istotny sposób przyczyniły się do głębszego
poznania struktury i dynamiki naszej galaktyki, przede wszystkim jednak wielkoskalowej struktury wszechświata.
Promieniowanie neutralnego wodoru o wiele lepiej wpisuję się jednak
w ramy kosmofilozofii rozumianej jako prąd ideowy częściej określany
jako filozofia kosmizmu czy astrofilozofia. Szczególnie w ramach programu SETI i jego kontynuacji w postaci programu META i BETA częstotliwość promieniowania neutralnego wodoru (1, 42 MHz) oraz jej
wielokrotności (2,84 MHz) jest wykorzystywana do prowadzenia nasłuchu sygnałów obcych cywilizacji.
Program badawczy poszukiwania cywilizacji pozaziemskich z wykorzystaniem promieniowania neutralnego wodoru zaproponowali jako
pierwsi Giuseppe Cocconi (1914-) i Philip Morrison (1915-) w klasycznym już artykule z 1959 roku23. W swoim artykule zauważyli, że aczkolwiek nie ma jeszcze wystarczająco wiarygodnych teorii pozwalających
oszacować prawdopodobieństwo uformowania się planet podobnych do
Ziemi oraz prawdopodobieństwo pojawienie się życia i jego ewolucji aż
do ukonstytuowania się cywilizacji technicznej zdolnej do komunikacji z
innymi cywilizacjami, to jednak dostępność środków technicznych pozwalających ziemskiej cywilizacji na taką komunikację powinna być wystarczającym powodem do podjęcia poszukiwań. W tym miejscu pojawił
się problem częstotliwości nasłuchu. Autorzy artykułu problem ten starali się rozwiązać proponując częstotliwość zbliżoną do częstotliwości
promieniowania neutralnego wodoru, gdyż – jak twierdzili – znajomość
tej częstotliwości powinna być powszechna już we wczesnych okresach
cywilizacji technicznej. W dalszej kolejności zwracali uwagę na stosunkowe duży poziom szumów powyżej i poniżej tej częstotliwości. W
swoim artykule zaproponowali nasłuch gwiazd, które znajdują się w
odległości mniejszej niż 15 lat świetlnych i są podobne do Słońca. Uznali,
że m.in. następujące gwiazdy: τ-Ceti, η-Eridani, α-Centauri są dobrymi
kandydatami do tego by miały na swojej orbicie planety, na których mogą rozwijać się cywilizacje techniczne. Autorzy artykułu odżegnywali się
od takich interpretacji, które wskazywały na spekulatywny charakter ich
rozważań. Uznali, że istnienie pozaziemskich cywilizacji technicznych
jest w zgodzie z ówczesnym stanem wiedzy, zaś poszukiwanie ich jest
na tyle cenne poznawczo, że usprawiedliwia poniesione koszty. Publika_____________
23 G. Cocconi, P. Morrison, Searching for Interstellar Communication, ,,Nature’’ 184 n.
4690 (1959): 844–846.
11
cja tego artykułu stała się punktem zwrotnym w długiej tradycji spekulatywnych rozważań na temat pozaziemskich cywilizacji, gdyż otwierała
drogę do realnej możliwości nawiązania z nimi kontaktu radiowego.
Pierwszym historycznie wykonanym programem nasłuchu cywilizacji
pozaziemskich był projekt OZMA. Autorem tego projektu był Frank
Drake (1930–). Zainspirowany pracą Cocconiego i Morrisona przy poparciu O. Struve, który ówcześnie zajmował eksponowaną pozycję w
astronomii światowej, a spoza tym był dyrektorem obserwatorium radioastronomicznego w Green Bank mógł przystąpić do realizacji projektu24. Drake jako obiekt obserwacji wybrał gwiazdy η-Eridani i τ-Ceti
odległe od Słońca ok. 11 lat świetlnych. Nasłuch był prowadzony od 8
kwietnia 1960 r. przez kilka miesięcy przy pomocy radioteleskopu w
Green Bank o średnicy zwierciadła 27 m nie doprowadził jednakże do
odkrycia oczekiwanych sygnałów, ale na tyle obudził zainteresowanie,
że już w listopadzie 1961 roku pod auspicjami Narodowej Akademii Nauk USA w Green Bank odbyła się międzynarodowa konferencja na temat
SETI.
Inna strategia badawcza25 była wykorzystana w programie poszukiwania powtarzalnych sygnałów impulsowych prowadzonym w 1977
roku przy pomocy 100-metrowego radioteleskopu w Effelsbergu. W
programie tym również wykorzystywano ,,magiczną’’ częstotliwość
1 420 MHz, na której poszukiwano impulsowych sztucznych sygnałów o
szerokości pasma nieprzekraczającej 20 MHz i okresie powtarzalności
typowej dla pulsarów, tzn. od 0,3÷1,5 s. Graniczna moc sygnału była
określona na 10-23 [W/m2]. Innym wariantem tego programu był przeprowadzony w 1981 roku eksperyment SIGNAL, polegający na kierunkowym poszukiwania radioźródeł znajdujących się w centrum Drogi
Mlecznej i nadających na częstotliwości 1 420 MHz w galaktocentrycznym układzie odniesienia. W wyniku eksperymentu udało się zidentyfikować sygnały impulsowe rozchodzące się w paśmie poniżej 3 kHz i
okresie powtarzalności od 40 s do 3600 s.
Program badawczy wykorzystujący ekstremalnie wąskie pasma
transmisji sygnału (1 kHz) został zaproponowany i wykonany w 1978 r.
_____________
24 Koszt projektu był stosunkowo niewysoki i zamknął się kwotą ok. 2 tys. dolarów.
Szczegóły techniczne tego projektu zostały opisane m.in. F. Drake, Intelligent Life in Space,
New York, Macmillan 1962 (passim).
25 Poszczególne programy badawcze SET-CETI zostały zestawione (tabela 7.1) w monografii M. Subotowicz, W poszukiwaniu życia rozumnego we wszechświecie. Zagadnienia
wybrane, Lublin, Wydawnictwo UMCS 1995, s. 170–177.
12
przez Paula Horowitza. Nasłuchiwano sygnału na częstotliwości laboratoryjnej (w heliocentrycznym układzie odniesienia) promieniowania
neutralnego wodoru używając do tego celu radioteleskopu w Arecibo.
Przedmiotem obserwacji było 185 gwiazd, których promieniowanie
elektromagnetyczne w zakresie radiowym odbierano z czułością rzędu
10-27 [W/m2]. Horowitz w swoim eksperymencie założył, że cywilizacja
nadająca sygnał będzie kompensować ruchy nadajnika zmieniając w
sposób ciągły częstotliwość emisji.
Warto też odnotować, że nadsubtelne promieniowanie wodoru zostało symbolicznie przedstawione na plakietkach, które zostały zamieszczone na korpusach sond kosmicznych26 Pionier 10 i Pionier 11 oraz wysłane wraz z innymi informacjami na pokładach sond Voyager 1 i Voyager 2.
5. Uwagi końcowe
Wykorzystanie częstotliwości promieniowania neutralnego wodoru
do nasłuchu sygnałów pochodzących od cywilizacji pozaziemskich wiąże odkrycie nadsubtelnego promieniowania wodoru z kosmofilozofią,
której istotnym elementem jest program wykorzystania wiedzy pochodzącej od cywilizacji pozaziemskich do przebudowy ludzkiej społeczności, a nawet modyfikacji gatunku homo sapiens. Związki te – w interpretacji kosmofilozofii podanej przez J. M. Dołęgę – polegają z kolei na badaniu tego odkrycia naukowego w perspektywie poznawczej filozofii nauki i kosmologii. Zarówno w pierwszej jak i drugiej interpretacji kosmofilozofii odkrycie promieniowania neutralnego wodoru jest bardzo doniosłe z perspektywy poznawczej kosmofilozofii.
_____________
26 C. Sagan (red.), Marmurs of Earth.The Voyager Interstellar Record (tłum. pol. J. Bieroń,
Szepty Ziemi. Międzygwiezdna wiadomość Voyagerów, Poznań, Zysk i S-ka 2003, s. 64–67).
13