Pro Velikonoční pondělí 2021 si Asociace univerzit pro výzkum vesmíru NASA jako Geovědecký snímek dne vybrala tematicky jednu „zmrtvýchvstalou“ fotografii. Původně vznikla před necelými 102 lety, nyní ji čeští vědci oživili v barvách a předtím neviděných detailech.
Geovědecký snímek Asociace univerzit pro výzkum vesmíru NASA Zkráceně EPOD, je uznávané ocenění nejzajímavější astronomické, atmosférické či geologické fotografie dne. Vybírá je James Foster, emeritní vědecký pracovník na Goddardově vesmírném centru NASA. EPOD vznikl v roce 1999 jako samostatná „větev“ prestižního Astronomického snímku dne NASA. Oproti němu je ovšem více geovědecky zaměřený. Mimo astronomické snímky jsou zde publikovány i ty geologické, meteorologické, chemické nebo atmosférické. |
Snímek vznikl během výpravy Královské greenwichské observatoře, která měla hlavní úkol: pořídit co nejlepší snímek zatmění Slunce. Tak dobrý, aby na něm bylo vidět, nakolik gravitace naší hvězdy ohýbá světlo hvězd v jejím okolí. Úkolem expedice bylo ověřit, že gravitace Slunce ohýbá světlo v takové míře, jako předpovídala dnes slavná, v té době jen pár let stará obecná teorie relativity.
Postupný pokrok
Einstein svou obecnou teorii relativity tvořil a postupně upravoval několik let. V prosinci 1915 o sobě měl poznamenat ve třetí osobě: „Ten Einstein dělá, co se mu zlíbí. S novým rokem odvolá to, co napsal v roce předchozím.“ Ale v té době už se slavný fyzik dopracoval ke skutečně správné podobě svých rovnic gravitačního pole. Musel o jejich správnosti ovšem přesvědčit zbytek světa.
Některé kolegy se mu podařilo přesvědčit poměrně rychle, ale matematika za jeho objevem byla složitá a nebyla přístupná ani řadě fyziků, natož laické veřejnosti. Srozumitelnějším důkazem by bylo měření praktických dopadů nového pojetí gravitace v praxi.
Poprvé se to podařilo díky planetě Merkur. Jak si všimli astronomové i bez Einsteinova postrčení, její dráha tak úplně neodpovídá tomu, co předpovídá klasická newtonovská teorie. (Merkur tak trochu „tancuje“ kolem Slunce, protože se postupně posouvá bod, ve kterém je nejblíže Slunci. A posun, tzv. stáčení perihelia, je o něco málo větší, než říká pan Newton).
Rozdíl je to malinký a odborníci pro něj postupně nabízeli celou řadu vysvětlení. Například, že planeta by mohla mít nějaký měsíc, nebo mezi Merkurem a Sluncem by mohla být ještě nějaká malá, neznámá planeta. Už se pro ni našel i vhodný název, Vulkán, podle římského boha ohně, samotnou planetu se ovšem nikdy nepodařilo najít. Posun ovšem s velkou mírou přesnosti vysvětlovaly Einsteinovy rovnice.
To byl první doklad správnosti obecné teorie relativity, který Einsteionovi osobně velmi pomohl. Ale do povědomí veřejnosti se zapsala především nyní oživená fotografie zatmění z roku 1919.
Obvykle neviditelné
Co na ní vidíme? Snímek zachycuje Slunce ve chvíli, kdy je téměř celý kotouč zakryt Měsícem. Díky tomu je vidět sluneční korona – rozevlátá plazmová obálka Slunce tvarovaná jeho magnetickým polem.
Korona je dosti „košatá“, protože zatmění proběhlo v době, kdy Slunce bylo poměrně aktivní. Fotografie vznikla zhruba dva roky po maximu slunečního cyklu číslo 15. Na snímku lze vidět četné magnetické smyčky, rozeznat jdou i sluneční magnetické póly (vlevo nahoře, vpravo dole).
Zajímavá, byť ne z hlediska teorie relativity, je protuberance na snímku v pravé horní části snímku. Protuberance je oblak chladnějšího plazmatu vznášejícího se nad slunečním povrchem, nejde o nijak vzácný jev. Ale vyfotit ho během úplného zatmění Slunce už vzácnost je. A zároveň jde o o největší protuberanci, která kdy byla během slunečního zatmění fotograficky zachycena.
Vraťme se však k fyzice. Autory snímku zajímaly především na snímku poměrně špatně a slabě viditelné tečky vpravo dole, což jsou dvě hvězdy patřící do souhvězdí Býka. Díky zatmění jsou hvězdy dostatečně jasné na to, aby se daly vyfotografovat, i když leží tak blízko slunečního kotouče. (My jsme vám je na výše uvedeném snímku vyznačili červenými kroužky, jde konkrétně o hvězdy s katalogovým číslem 65 Tauri a 67 Tauri.)
Rekonstruovaný snímek úplného zatmění Slunce 29. května 1919 s vyznačenými dvěma hvězdami ze souhvězdí Býka. Na jejich obraze se zkoumal vliv gravitace na světlo, a zda Einsteinovy rovnice správně předpovídají míru tohoto posunu.
Astronomové tak získali možnost porovnat polohu těchto hvězd na obloze během zatmění s jejich polohou v době, kdy se Slunce v jejich blízkosti nevyskytuje (tj. v noci.) Ukázalo se, že obraz hvězd je skutečně o něco posunutý.
Posun podle Einsteina
To samo o sobě nikdo nepovažoval za důkaz obecné teorie relativity. O tom, že gravitace (nejen) Slunce ohýbá světlo podle krátké zmínky v „Optice“, nepochyboval zřejmě ani Isaac Newton. A mysleli si to i další fyzici před Einsteinem. Nebyl důvod předpokládat, že by se hypotetické „částice světla“ měly chovat jinak než ostatní hmota.
Například astronom Johann Georg von Soldner v roce 1801 na základě Newtonových zákonů a předpokladu, že světlo je rychle se pohybující částice, spočítal, že světlo vzdálené hvězdy by průlet kolem Slunce měl odklonit zhruba o 0,9 obloukové vteřiny. K velmi podobnému výsledku (0,87 obloukové vteřiny) došel Einstein ještě v roce 1911, kdy se jeho obecná teorie teprve rodila.
Není známo, že by se v 19. století někdo pokoušel tento posun opravdu změřit. Zřejmě to bylo nad technické možnosti tehdejší astronomie. Ale ve 20. století se situace změnila. Teleskopy a další technika se zlepšila, zároveň začalo být čím dál jasnější, jak nedostatečné jsou mantinely newtonovské fyziky, tedy kolik věcí vysvětlit nedovede.
Vliv gravitace na světlo jsme pozorovali od roku 1919 mnohokrát. Známým příkladem je efekt. tzv gravitační čočky, který zpopularizoval už ve 30. letech v časopise Scientific American astronom Henry Norris Russell. Jejím nejčastějším projevem je "zmnožení" obrazu - v tomto případě do čtyř dalších obrazů. Pro tuto konfiguraci se zase vžil výraz Einsteinův kříž.
O změření odchylky se pokusila v roce 1914 německo-americká expedice za zatměním na Krym. Ta ovšem měla nejprve smůlu na historické okolnosti: zatmění mělo být 21. srpna, 1. srpna však Rusko vyhlásilo válku Německu. Německá část expedice se tedy pozorování nemohla účastnit. Zbylým americkým astronomům nepřálo počasí.
Britové na dvou místech světa
Ale myšlenka to byla natolik dobrá, že si ji za svou vzala řada vědců. Dne 10. listopadu 1917 rozhodl britský Stálý výbor pro sluneční zatmění, že zorganizuje expedice do pásu dlouhého zatmění Slunce 29. května 1919.
Expedice byly dvě, koordinované Frankem W. Dysonem (1868-1939) a Arturem S. Eddingtonem (1882-1944). Jedna z nich – vedená Andrewem C. D. Crommelinem (1865-1939) – putovala do brazilského Sobralu. Eddington pak vedl expedici na Princův ostrov ve Guinejském zálivu, tedy u západních břehů Afriky.
Obě výpravy i přes určité potíže s počasím (a částečně i technikou) nakonec slavily triumf. Jejich snímky ukázaly mnohem větší posun zdánlivé polohy hvězd, než předpovídaly Newtonovy zákony.
Posun činil 1,2-2 obloukové vteřiny, nejpravděpodobněji přitom někde kolem 1,6 (autoři sami uváděli 1.61 ± 0,30 obloukové vteřiny). Druhá britská expedice z téhož roku, vedená Andrewem Crommelinem do Brazílie, naměřila podle moderní analýzy výsledků posun 1,98 ± 0,18 obloukové vteřiny.
Rozdíl proti newtonovské předpovědi je příliš veliký, než aby ho šlo jednoduše vysvětlit. Hodnoty ovšem velmi přesně odpovídaly Einsteinově předpovědi. Podle ní by posun měl činit 1,75 obloukové vteřiny.
Výsledky vyšly nejprve v odborném tisku (v tomto odkazu najdete Crommelinovu práci, práce „afrického“ týmu je dostupná na této stránce v PDF). Postupně obletěly celý svět a zajistily uznání jak členům expedice, tak samotnému Einsteinovi. Snímky pořízené během zatmění roku 1919 se zapsal do dějin 20. století.
Jak oživit fotografii
Originály snímků nečekal slavný osud. Originální desky ze zatmění v roce 1919 se ztratily. Existovaly naštěstí kopie, které byly rozeslány observatořím po světě, aby všichni vědci na vlastní oči viděli důkaz podporující teorii relativity.
Jedna taková kopie snímku pořízeného výpravou, která zatmění fotografovala z ostrova Sobral u brazilských břehů, se dostala také na observatoř Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl, která ji nedávno digitalizovala v rámci projektu HDAP (Heidelberg Digitized Astronomical Plates).
Petr Horálek z Fyzikálního ústavu v Opavě ve spolupráci s Evropskou jižní observatoří získal digitalizovanou kopii původní desky v nejvyšší možné kvalitě. Už na první pohled mu bylo jasné, že kvalita snímku zdaleka nedosahuje současných možností. Sken byl poškrábaný a plný prachových částeček. A bylo z něj podle Horálka zřetelně vidět, že v době zatmění na Sobralu překážela oblačnost.
Měl Einstein pětku z matematiky?Ne, odmaturoval s šestkami. Často opakovaný mýtus, že Albert Einstein měl propadat z matematiky a fyziky, je částečně nepochopení, částečně čirá fabulace. |
Vědci se rozhodli snímek pomocí moderních postupů „vyčistit“ a upravit tak, aby vynikly skutečné struktury sluneční korony. Výsledek vylepšili pomocí programu NAFE Miloslava Druckmüllera z VUT v Brně, který je specialistou na astronomické snímkování a proslavil se například fotografie zatmění Slunce s vysokou mírou detailů.
Program umí zvýraznit i jemné detaily ve strukturách jinak spíše rozmazaných snímků, díky čemuž bylo možné získat ještě větší detaily ve sluneční koroně, ale hlavně v protuberanci, která se tehdy během zatmění ukázala. Nakonec ze známých barevných vlastností některých jevů na snímku dokázal Petr Horálek rekonstruovat barevnost celého obrázku.
