Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia

Transkrypt

1 Uniwersytet Gdański Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia Wstęp A stronomia różni się od innych nauk fizycznych tym, że bazuje na obserwacjach, 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 zwiększyć 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 astronomicznych mają olbrzymie znaczenie dla współczesnej nauki. Aby obserwacja astronomiczna była użyteczna, musi oprócz pozycji na sferze niebieskiej zawierać czas wystąpienia danego zjawiska. Obserwacje Jana Heweliusza wykonane w XVII wieku stanowią dziś cenne źródło wiedzy 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 astronomicznych. 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 Collecting Satellite). Nazwa tego sztucznego satelity nawiązuje do wielkiego greckiego astronoma Hipparchosa, żyjącego w II wieku p.n.e. na wyspie Rodos. Okazuje się, że błąd pozycji 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 Królewskiego Towarzystwa o arbitraż. Porównanie pomiarów Heweliusza z pomiarami przybyłego 165

2 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 wyznaczył jedenaście nowych gwiazdozbiorów, z czego siedem utrzymało się do dziś: Psy Gończe, 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. Wünsch 1 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 zakrycia 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 zjawiska 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 ( ), Mitteilungen der Astronomischen Gesellschaft 1987, t. 70, s

3 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 we Francji. Miesiąc później tę gwiazdę nową zaobserwował także Heweliusz i nazwał ją Nova sub capite Cygni (Nowa pod głową Łabędzia). Gdański astronom ogłosił odkrycie 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 wyznaczeń 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 zaobserwować. Na podstawie wyznaczeń jasności dokonanych głównie przez Heweliusza oraz współczesnych obserwacji Shara, Moffat i Webbink 2 stworzyli hibernacyjny model gwiazd zmiennych katalizmicznych. Potem Kato 3 zaproponował model star merging, czyli zlewania się gwiazd, oparty na pracy Sokera i Tylendy 4. Obecna nazwa tej gwiazdy zmiennej 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 wykonane 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 T. Kato, CK Vul as a candidate eruptive stellar merging event, Astronomy and Astrophysics 2003, t. 399, s N. Soker, R. Tylenda, Main Sequence Stellar Eruption Model for V838 Monocerotis, Astrophysical Journal 2003, t. 582, s. L

4 Il. 3. Rysunek Heweliusza przedstawiający serię obserwacji plam na Słońcu Żródło: J. Hevelis, Selenographia: sive Lunae descriptio, Gedani 1647, typis Hünefeldianis. w latach Jego obserwacje wypadły w tzw. Minimum Maundera aktywności słonecznej. Był to okres o wyjątkowo słabej aktywności słonecznej, co objawiało się brakiem plam na Słońcu. Heweliusz nie zaobserwował żadnej plamy na Słońcu w okresie styczeń 1645 grudzień 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 wykonane 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 wyliczono, że Słońce obracało się szybciej na równiku o 3 4%, a różnicowa rotacja była trzy razy większa 7. Jednakże późniejsze analizy, wykonane przez Abarbanell i Wöhl 8 wykazały, że prędkość rotacji Słońca nie uległa zmianie. Podczas Minimum Maundera plamy słoneczne żyły dłużej niż obecnie 9. 5 D.V. Hoyt, K.H. Schatten, How Well Was the Sun Observed during the Maunder Minimum?, Solar Physics 1996, t. 165, s Ibidem. 7 J.A. Eddy, P.A. Gilman, D.E. Trotter, Solar rotation during the Maunder Minimum, Solar Physics 1976, t. 46, s 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 D.V. Hoyt, K.H. Schatten, Overlooked sunspot observations by Hevelius in the early Maunder Minimum, , Solar Physics 1995, t. 160, s

5 Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia Komety Heweliusz obserwował dziewięć komet (il. 4). Z tych obserwacji skorzystał między innymi 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 obliczeniu 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 komety 10. 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 pozostają 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. 10 I. Hasegawa, S. Nakano, Orbit of periodic comet 153P/Ikeya Zhang, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 2003, t. 345, s

6 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 okołozenitalny, krąg parheliczny i przeciwsłońce. Oprócz tego występują dosyć zagadkowe słońca poboczne w odległości 90 od Słońca prawdziwego oraz przechodzące przez nie halo 90 zwane 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 foremnego 11. Kryształki te mają wysokość 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 ). Powstawanie tego rzadkiego zjawiska można wytłumaczyć tylko przy założeniu, że Słońce znajduje 11 R. Greenler, Tęcze, glorie i halo, Warszawa

7 Obserwacje Heweliusza a współczesna astronomia się dokładnie 23 nad horyzontem 12. Brak współczesnych obserwacji, a przede wszystkim fotografii, 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 zjawiskach 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 observations 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 provide 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.