Zenon E. Roskal Odkrycie promieniowania neutralnego wodoru w

Zenon E. Roskal Odkrycie promieniowania neutralnego wodoru w

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 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.
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, 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.
1
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 CETISETI3 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 Lejdzie nie było możliwości prowadzenia
obserwacji astronomicznych. Dyrektorem obserwatorium był wówczas Jan H. Oort (19001992), 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
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 (1,42GHz) i rodnika wodorotlenowego OH (1,64GHz), 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’’.
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
2
promieniowania radiowego nie mogą się równać ze spektroskopem optycznym5. Oort był
głęboko przekonany, że przy 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 mln.
lat. Van de Hulst przyjął, że prawdopodobieństwo takiego przejścia 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
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. amerykański 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 /1897-1963/, 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.
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
3
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 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 rezonasu magnetycznego) i jego doktoranta Harolda Ewena wkrótce
przyniosła rozwiązanie problemu.
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. .
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.
4
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 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. 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
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.
13
R. Buderi, Radar, s. 308.
14
Cyt. Za R. Buderi, Radar, s. 311. W praktyce potrzeba było dokonać detekcji sygnału rzędu 0,5 x 10-15
2
[W/m ]. 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.
5
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 krótki czasie sześć 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 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.
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.
19
M. Roberts, The Neutral Hydrogen Content of Late-Type Spiral Galaxies, ,,Astrophysical Journal’’ 67
(1962): 437.
6
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 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
kosmofilozfii, 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
20
Takiej konwencji przestrzega J. Ciechanowicz (Filozofia kosmizmu. Konstanty Ciołkowski czyli kosmos
szczęśliwy, Rzeszów 1999, s. 23).
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 materialna (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.
7
– także w piątą grupę zagadnień, gdyż niewątpliwie badania wykorzystujące 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. Publikacja 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 eksponowana
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
23
846.
G. Cocconi, P. Morrison, Searching for Interstellar Communication, ,,Nature’’ 184 n. 4690 (1959): 844-
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).
8
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. 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.
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.
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).
9