docObserwacje Heweliusza a współczesna astronomia
download 
Reklamacja Transkrypt
Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia
Piotr Gnaciński Uniwersytet Gdański Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia Wstęp A stronomia różni się od innych nauk fizycznych tym, że bazuje na obser‑ wacjach, a nie na doświadczeniach. Doświadczenie można powtarzać wielokrotnie, w dowolnym czasie i w różnych warunkach fizycznych. Dlatego doświadczenia, często już kilka lat po ich wykonaniu, mają jedynie znaczenie dla historyków nauki, gdyż nowe doskonalsze przyrządy i metody pozwalają znacząco zwięk‑ szyć dokładność wykonywanych pomiarów. Inaczej jest z obserwacjami. Obserwacji wielu zjawisk astronomicznych nie można nigdy powtórzyć (np. obserwacje gwiazd nowych, supernowych, zaćmień Słońca i Księżyca) i dlatego historyczne obserwacje zjawisk astro‑ nomicznych mają olbrzymie znaczenie dla współczesnej nauki. Aby obserwacja astrono‑ miczna była użyteczna, musi oprócz pozycji na sferze niebieskiej zawierać czas wystąpienia danego zjawiska. Obserwacje Jana Heweliusza wykonane w XVII wieku stanowią dziś cenne źródło wie‑ dzy o zjawiskach astronomicznych, które wystąpiły w tamtym okresie. Obserwacje te były wykonane po odkryciu lunety, a systematyczność i dokładność ich wykonania umożliwiają współczesnym astronomom wykorzystanie tych obserwacji do analizy wielu zjawisk astro‑ nomicznych. Gwiazdy Jednym z dzieł, któremu Heweliusz poświęcił dużo pracy, był katalog 1564 gwiazd (Prodromus Astronomiae). Został on wydany już po śmierci Heweliusza przez jego drugą żonę Elżbietę z domu Koopmann. W 2010 roku Verbunt i Gent opublikowali elektroniczną wersję tego katalogu gwiazd. Porównali oni położenia gwiazd podane przez Heweliusza ze współrzędnymi wyznaczonymi przez satelitę Hipparcos (High Precision Parallax Col‑ lecting Satellite). Nazwa tego sztucznego satelity nawiązuje do wielkiego greckiego astro‑ noma Hipparchosa, żyjącego w II wieku p.n.e. na wyspie Rodos. Okazuje się, że błąd pozy‑ cji gwiazd w katalogu Heweliusza wynosi 2’. Jest to wielkość porównywalna ze zdolnością rozdzielczą oka ludzkiego: 1’–3’. Należy tutaj przypomnieć, że Heweliusz był ostatnim z wielkich astronomów, którzy w instrumentach do mierzenia kątów nie stosowali lunet. Było to przyczyną polemiki z Johnem Flamsteedem i Robertem Hookiem, którzy zarzucali Heweliuszowi niewielką dokładność pomiarów kątowych wykonywanych nieuzbrojonym okiem. Podobnie jak Heweliusz byli oni członkami Royal Society. Dlatego Heweliusz zwrócił się do Królewskie‑ go Towarzystwa o arbitraż. Porównanie pomiarów Heweliusza z pomiarami przybyłego 165 Piotr Gnaciński do Gdańska Edmunda Halleya potwierdziło, że dokładność uzyskana przez Heweliusza jest taka sama jak dokładność osiągalna za pomocą przyrządów wyposażonych w lunety. Heweliusz jako pierwszy podał w swoim atlasie gwiazd współrzę dne równikowe, oprócz używanych w tym czasie współrzędnych ekliptycznych. Ponadto Heweliusz wyzna‑ czył jedenaście nowych gwiazdozbiorów, z czego siedem utrzymało się do dziś: Psy Goń‑ cze, Jaszczurka, Mały Lew, Ryś, Lis, Tarcza (il. 1), Sekstant. Il. 1. Gwiazdozbiór „Tarcza Sobieskiego” narysowany przez Heweliusza Źródło: J. Hevelius, Firnamentum Sobiescianum, Gedani 1690, typis J.-Z. Stolli. Wünsch1 wykorzystał obserwacje Heweliusza do wyznaczenia różnicy pomiędzy czasem efemeryd a czasem uniwersalnym (ΔT=ET‑UT). Wykorzystał on w tym celu wyznaczenia południa prawdziwego oraz pomiary odległości gwiazd od Księżyca i zakry‑ cia gwiazd przez Księżyc. Uzyskane różnice obarczone są jednak na tyle dużym błędem, że nie można wyciągnąć jednoznacznych konkluzji co do zmian prędkości obrotu Ziemi (odzwierciedlonych w czasie uniwersalnym UT). Gwiazdy zmienne Gwiazdy nowe to gwiazdy, które nagle zwiększają swoją jasność. Ponieważ są to zjawi‑ ska dość rzadkie, ważną rolę odgrywają historyczne obserwacje takich obiektów. Nowa CK Vulpeculae (1670) została odkryta przez kartuzjańskiego mnicha Anthema z Dijon 1 J. Wünsch, The Reduction of the Solar and Lunar Observations of Johannes Hevelius (1611–1687), „Mit‑ teilungen der Astronomischen Gesellschaft” 1987, t. 70, s. 317. 166 Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia Il. 2. Nova sub capite Cygni z 1670 roku Źródło: „Philosophical Transactions of the Royal Society” 1670, vol. 5, no. 65, s. 2087. we Francji. Miesiąc później tę gwiazdę nową zaobserwował także Heweliusz i nazwał ją Nova sub capite Cygni (Nowa pod głową Łabędzia). Gdański astronom ogłosił odkry‑ cie tej gwiazdy nowej w artykule przesłanym do „Philosophical Transactions of the Royal Society” (il. 2). Obserwował tę gwiazdę przez dwa kolejne lata i wykonał najwięcej wyzna‑ czeń jasności tego obiektu. Jako jedyny zaobserwował też trzecie maksimum jasności w 1672 roku. W 1985 roku Shara ze współpracownikami zaobserwowali ponownie gwiazdę CK Vulpeculae. Obecnie jest ona najstarszą gwiazdą nową, którą udało się ponownie zaobser‑ wować. Na podstawie wyznaczeń jasności dokonanych głównie przez Heweliusza oraz współczesnych obserwacji Shara, Moffat i Webbink2 stworzyli „hibernacyjny” model gwiazd zmiennych katalizmicznych. Potem Kato3 zaproponował model star merging, czyli zlewania się gwiazd, oparty na pracy Sokera i Tylendy4. Obecna nazwa tej gwiazdy zmien‑ nej CK Vulpeculae pochodzi od gwiazdozbioru Liska narysowanego przez Heweliusza. Kolejną interesującą gwiazdą zmienną jest Mira Ceti (Cudowna Wieloryba). Słowo „mira” (cudowna) w jej nazwie zostało nadane przez Heweliusza (Historiola Mirae Stellae, 1662). Jest to gwiazda zmienna pulsująca, która zwiększa swoją jasność i okresowo jest widoczna okiem nieuzbrojonym. Zmiany jasności wykazują okres 332 dni. Mira Ceti jest prototypem całej klasy gwiazd zmiennych pulsujących, zwanych mirydami. Obserwacje plam na Słońcu Olbrzymie znaczenie dla współczesnej heliofizyki mają obserwacje plam słonecznych wyko‑ nane przez Heweliusza. Gdański astronom wykonał 4186 obserwacji plam słonecznych 2 M.M. Shara, A.F.J. Moffat, R.F. Webbink, Unraveling the oldest and faintest recovered nova – CK Vulpeculae (1670), „Astrophysical Journal” 1985, t. 294, s. 271. 3 T. Kato, CK Vul as a candidate eruptive stellar merging event, „Astronomy and Astrophysics” 2003, t. 399, s. 695. 4 N. Soker, R. Tylenda, Main‑Sequence Stellar Eruption Model for V838 Monocerotis, „Astrophysical Jour‑ nal” 2003, t. 582, s. L105. 167 Piotr Gnaciński Il. 3. Rysunek Heweliusza przedstawiający serię obserwacji plam na Słońcu Żródło: J. Hevelis, Selenographia: sive Lunae descriptio, Gedani 1647, typis Hünefeldianis. w latach 1642–16845. Jego obserwacje wypadły w tzw. Minimum Maundera aktyw‑ ności słonecznej. Był to okres o wyjątkowo słabej aktywności słonecznej, co objawia‑ ło się brakiem plam na Słońcu. Heweliusz nie zaobserwował żadnej plamy na Słońcu w okresie styczeń 1645–grudzień 16516. Okres minimum aktywności słonecznej bywa wiązany z wyjątkowo chłodnymi zimami, w czasie których Bałtyk zamarzał. Okres tak słabej aktywności słonecznej nie powtórzył się od czasów Heweliusza i dlatego wyko‑ nane przez niego obserwacje mają olbrzymie znaczenie. Z obserwacji plam słonecznych wykonanych przez Heweliusza (il. 3) można wyznaczyć okres rotacji Słońca. Z obserwacji plam w latach 1642–1644 wyliczono, że Słońce obracało się szybciej na równiku o 3–4%, a różnicowa rotacja była trzy razy większa7. Jednakże późniejsze analizy, wykonane przez Abarbanell i Wöhl8 wykazały, że prędkość rotacji Słońca nie uległa zmianie. Podczas Minimum Maundera plamy słoneczne żyły dłużej niż obecnie9. 5 D.V. Hoyt, K.H. Schatten, How Well Was the Sun Observed during the Maunder Minimum?, „Solar Physics”1996, t. 165, s. 181. 6 Ibidem. 7 J.A. Eddy, P.A. Gilman, D.E. Trotter, Solar rotation during the Maunder Minimum, „Solar Physics”1976, t. 46, s. 3. 8 C. Abarbanell, H. Wöhl, Solar Rotation Velocity as Determined from Sunspot Drawings of Hevelius, J. in the 17th‑Century, „Solar Physics” 1981, t. 70, s. 197. 9 D.V. Hoyt, K.H. Schatten, Overlooked sunspot observations by Hevelius in the early Maunder Minimum, 1653–1684, „Solar Physics” 1995, t. 160, s. 371. 168 Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia Komety Heweliusz obserwował dziewięć komet (il. 4). Z tych obserwacji skorzystał między inny‑ mi Isaac Newton w Philosophiae naturalis principia mathematica. Gdański uczony odkrył także cztery nowe komety. Najciekawszą z nich jest kometa 153P/Ikeya–Zhang „odkryta” 1 lutego 2002 roku przez Japończyka Kaoru Ikeyę i Chińczyka Daginga Zhanga. Po obli‑ czeniu orbity tej komety okazało się, że była ona poprzednio obserwowana w 1661 roku przez Heweliusza, który wykonał 35 obserwacji. Obserwacje wykonane przez gdańskiego astronoma pozwoliły uściślić parametry orbity tej komety10. Il. 4. Trajektoria komety z 1672 roku Źródło: J. Hevelius, Annus Climactercus, Gedani 1685, typis D.F. Rhetii. Kometa 153P/Ikeya–Zhang była obserwowana ponadto w Korei, Chinach i Japonii w 1661 roku, a także przy poprzednich powrotach w pobliże Słońca w 1273 roku ( Japonia, Korea) oraz w 877 roku ( Japonia, Europa). Kometa 153P/Ikeya–Zhang ma okres obiegu około 366 lat i jest to najdłuższy okres spośród znanych komet okresowych. Jednocześnie jest ona bardzo jasna. Zjawiska optyczne w atmosferze Patrząc na niebo, Heweliusz dokumentował też obserwacje zjawisk optycznych w atmosferze. Ściśle rzecz biorąc, nie są to zjawiska astronomiczne, ale do dziś pozo‑ stają one w kręgu zainteresowań astronomów. Znamy liczne rysunki wykonane przez Heweliusza, przedstawiające słońca poboczne, halo 22° i 46° czy górny łuk styczny do 22° halo. I. Hasegawa, S. Nakano, Orbit of periodic comet 153P/Ikeya‑Zhang, „Monthly Notices of the Royal Astronomical Society” 2003, t. 345, s. 883. 10 169 Piotr Gnaciński Na szczególną uwagę zasługuje obserwacja tzw. siedmiu słońc (septem soles) Heweliusza, wykonana dnia 20 lutego 1661 roku, a opisana w dziele Mercurius in Sole visus Gedani Anno Christiano 1661… Zjawisko to było widoczne nad Gdańskiem pomiędzy godziną 11 a 12. Il. 5. Siedem słońc Heweliusza Źródło: J. Hevelius, Mercurius in sole visus, Gedani 1662, imprimebat S. Reiniger. Na ilustracji 5 widzimy dobrze znane zjawiska: słońca poboczne w odległości kątowej 22° od Słońca prawdziwego, halo 22°, górny łuk styczny do halo, wielkie halo 46°, łuk okołoze‑ nitalny, krąg parheliczny i przeciwsłońce. Oprócz tego występują dosyć zagadkowe słońca poboczne w odległości 90° od Słońca prawdziwego oraz przechodzące przez nie halo 90° zwa‑ ne halem Heweliusza. Słońca poboczne w odległości 90° od Słońca udało się wytłumaczyć, stosując symulację komputerową dwukrotnego wewnętrznego odbicia światła w kryształkach lodu w kształcie graniastosłupa prawidłowego o podstawie sześciokąta foremnego11. Kryształki te mają wyso‑ kość znacznie mniejszą od przekątnej podstawy, dzięki czemu opadają w powietrzu jak liście (podstawą do ziemi). Na takich kryształkach lodu powstają także słońca poboczne 22°. Większym problemem jest wytłumaczenie powstawania halo Heweliusza (90°). Powsta‑ wanie tego rzadkiego zjawiska można wytłumaczyć tylko przy założeniu, że Słońce znajduje 11 R. Greenler, Tęcze, glorie i halo, Warszawa 1998. 170 Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia się dokładnie 23° nad horyzontem12. Brak współczesnych obserwacji, a przede wszystkim foto‑ grafii, uniemożliwia nam pełne zrozumienie tego pięknego zjawiska. Zakończenie Pomimo że od śmierci Jana Heweliusza upłynęło ponad 300 lat, to wykonane przez niego obserwacje mają znaczenie dla współczesnej astronomii. Ich dokładność i systematyczność oraz staranne publikowanie sprawiają, że stanowią największe źródło informacji o zjawi‑ skach astronomicznych, które wystąpiły w połowie XVII wieku. Hevelius observations and modern astronomy Summary Despite of over 300 years that passed after Johannes Hevelius death, the astronomical obser‑ vations made by Hevelius are still important for modern astronomy. The Hevelius observations of novae stars are important for modeling this phenomena. The 42 years of sunspot observations pro‑ vide a look into the Maunder Minimum of solar activity. The Hevelius observations of the 153P/ Ikeya–Zhang comet facilitated a precise orbit calculation. Also the observations of rare atmospheric optics phenomena (eg. 90° halo) are still of scientific interest. Translated by Piotr Gnaciński 12 Ibidem.
