Читать книгу Mars. W poszukiwaniu życia - David A. Weintraub - Страница 8

Astronomowie uzbrojeni w teleskopy zakochali się w Marsie już na początku epoki instrumentów optycznych służących do obserwacji kosmosu. Mars był jasny, zmieniał kolory i miał intrygujące, kontrastujące jaśniejsze i ciemniejsze regiony. Co więcej, ponieważ Mars oprócz Wenus jest bliżej Ziemi niż wszystkie inne planety, oglądany przez teleskop mógł być widoczny jako dość duży. W dodatku w przeciwieństwie do pobliskiej Wenus oraz Merkurego, które czasami były widoczne zaledwie jako wąskie sierpy, tarcza Marsa była zawsze w pełni oświetlona. W odróżnieniu od innych znanych planet w Układzie Słonecznym Mars wabił astronomów i utrzymywał ich uwagę. Pod koniec XVIII w. wiedza na temat fizycznych właściwości Marsa zgromadzona przez astronomów przekonała ich, że możemy myśleć o tych dwóch planetach jak o bliźniakach, ponieważ dzielą ze sobą tyle wspólnych cech.

Niemal od razu po upowszechieniu teleskopów obserwacje Marsa znalazły się w centrum uwagi, najpierw we Włoszech, a później w całej Europie. Astronomów tamtych czasów zdumiewało to, że patrząc na Marsa, zobaczyli coś, co spodziewaliby się dostrzec, obserwując z daleka przez teleskop Ziemię. Jedną z najważniejszych wczesnych obserwacji Marsa było wykrycie za pomocą teleskopu plamy na powierzchni planety. W 1636 r. prawnik, optyk i amator astronomii z Neapolu, Francesco Fontana, odkrył ciemną plamę prawie dokładnie pośrodku dysku Marsa, którą określił jako „bardzo czarną pigułkę”. Dostrzegł ją ponownie w 1638 r. Ponieważ Fontana również zauważył podobną „pigułkę” na powierzchni Wenus podczas obserwacji przeprowadzonych dekadę później, jego mała „czarna pigułka” na Marsie była prawie na pewno iluzją, wytworzoną przez słabą optykę jego domowego teleskopu, lecz ani on, ani jemu współcześni tego wówczas nie rozumieli40. Ciemna plama Fontany jest ważna nie dlatego, że została błędnie przypisana Marsowi, ale dlatego, że zwróciła uwagę innych astronomów na Marsa jako obiekt, który może ukazać uważnym badaczom coś więcej niż rozmyty, pozbawiony wyrazistych cech dysk. Przekaz wydawał się jasny: Mars ma sekrety do odkrycia, a astronomowie uzbrojeni w teleskopy mogą zajrzeć w głąb kosmosu, odsłonić marsjańską zasłonę i rozwikłać tajemnicę Czerwonej Planety.

Następny raport o marsjańskich plamach dotyczył prawdopodobnie rzeczywistych cech powierzchni Marsa. Jezuita ojciec Daniello Bartoli, oglądający Marsa przez swój teleskop w Wigilię Bożego Narodzenia 1644 r., podobnie jak Fontana w Neapolu wykrył dwie plamy na „dolnej części” Marsa. Bartoli nie zanotował innych szczegółów dotyczących Marsa, ale zachował dla nas jedną inną osobistą refleksję. Napisał: „Jeśli Bóg pozwoli, przyszli obserwatorzy być może będą mogli zobaczyć je (owe plamy) dokładniej”41. Zainteresowanie jezuitów marsjańskimi plamami przeniosło się w czasie następnej dekady z Neapolu do Rzymu. Tam ojciec Giambattista Riccioli oraz ojciec Francesco Grimaldi pracujący razem w Collegio Romano w Rzymie zanotowali, że zaobserwowali plamy na Marsie podczas wielu nocy w latach 1651, 1653, 1655 i 165742.

Mars znajduje się w najlepszym miejscu do obserwacji z Ziemi mniej więcej co dwa lata, kiedy to Ziemia dogania wolniej poruszającego się Marsa i obie planety są po tej samej stronie Słońca i ułożone są w jednej linii z punktu widzenia Słońca. Ze względu na tę częstotliwość Riccioli i Grimaldi rejestrowali obserwacje Marsa co dwa lata w połowie XVII w. Takie ustawienie się dwóch planet po tej samej stronie Słońca, które w języku astronomii nazywa się opozycją, zdarza się dla Ziemi i Marsa co 780 dni i jest po prostu rezultatem tego, że Ziemia (365,25 dni) obiega Słońce szybciej niż Mars (686,98 dni). Podobnie jak dwóch biegaczy na torze, z Ziemią na krótszej, wewnętrznej trasie, Ziemia dogania Marsa co dwa lata i 50 dni, podczas gdy krążą wokół Słońca z różnymi prędkościami kątowymi. W tych momentach opozycji Mars znajduje się najbliżej Ziemi, dlatego też wygląda na większego dla obserwatorów z Ziemi.

Rys. 3.1 | Kiedy Słońce, Ziemia i Mars są ułożone w jednej linii (Mars jest wtedy w opozycji, która występuje co 780 dni), odległość Ziemi do Marsa może być równa 55 mln km (lewy schemat) lub 101 mln km (prawy schemat)

Co więcej, w związku ze względnym położeniem Słońca, Ziemi i Marsa w opozycji, światło słoneczne odbijające się od Marsa w stronę Ziemi odbijane jest bardziej efektywnie podczas opozycji niż w czasie innych ułożeń tych trzech ciał niebieskich. Dla obserwatorów wpatrujących się przez teleskopy większy i jaśniejszy Mars to lepszy Mars, ponieważ mogą wtedy zaobserwować drobniejsze szczegóły na jego powierzchni. Gdy Mars znajduje się najbliżej, jest w odległości około 56 milionów kilometrów od Ziemi. Jednakże orbita Marsa jest bardziej eliptyczna (mniej okrągła) niż prawie okrągła orbita ziemska, dlatego największe zbliżenie Marsa do Ziemi nie jest zawsze zdarza się na tej samej odległości. Najbliżej podczas opozycji planety mogą być od 55,7 milionów kilometrów (wtedy rozmiar kątowy Marsa wynosi 26 sekund łuku), ale w czasie najdalszej opozycji odległość wynosi 101 milionów kilometrów (z Marsem o rozmiarach kątowych jedynie około 13 sekund łuku). Pomiędzy bliskimi opozycjami, kiedy są najlepsze warunki do przeprowadzania astronomicznych obserwacji Marsa, upływa 15–17 lat.

Pod koniec lat pięćdziesiątych XVII w., z powodu szczęśliwego zbiegu okoliczności – dobrego położenia Marsa dla obserwacji oraz wkroczenia na scenę jednego z najbardziej genialnych astronomów tamtego wieku, Christiaana Huygensa z Holandii, miała wkrótce nadejść marsjańska rewolucja. Mars był w bardzo bliskiej opozycji w 1655 r. i cztery lata później – w 1659 r. – również znajdował się w dosyć dobrej pozycji do obserwacji. Wtedy Huygens dokonał odkrycia na temat Marsa, które wpłynęło na poglądy astronomów na temat Czerwonej Planety jako bliźniaka Ziemi. Wczesnym wieczorem 28 listopada oraz 1 grudnia 1659 r. Huygens wykonał szkice Marsa, które ukazywały duży, szeroki, ciemny obszar w kształcie litery „V”.

Rys. 3.2 | Szkic Marsa wykonany przez Christiaana Huygensa 28 listopada 1659 r. Ciemna plama na tym szkicu, po raz pierwszy zaobserwowana przez Huygensa i jedna z najłatwiej rozpoznawanych cech na powierzchni Marsa, jest obecnie znana jako Syrtis Major Planum. W XIX w. była znana jako Morze Klepsydry (lub Mer du Sablier), Kanał Atlantycki i Morze Kaiser. Obraz z Flammarion, La Planète Mars, 1892.

Pokrywał on około połowy szerokości i połowy wysokości widzialnego dysku Marsa. Na podstawie różnicy w czasie pomiędzy obserwacjami dwóch wydarzeń i niewielkiego przesunięcia w położeniu ciemnej plamy z nocy 28 listopada do nocy 1 grudnia Huygens wysnuł śmiałą i poprawną konkluzję: rotacja Marsa, podobnie jak Ziemi, wynosi około 24 godzin43.

Przeanalizujmy to odkrycie przez chwilę. Mars kręci się wokół własnej osi. Na Marsie występuje dzień i noc, a długość cyklu dziennego i nocnego na nim jest prawie identyczna z 24-godzinnym cyklem dobowym Ziemi.

Okres rotacji Marsa nie musiał wynosić 24 godzin. W końcu okresy rotacji planet w naszym Układzie Słonecznym różnią się w zakresie od kilku godzin do setek dni. Jowisz obraca się w czasie 9,9 godzin. „Dzień” na Neptunie trwa 16,1 godziny. Okres obrotu Plutona to 6,4 dnia, natomiast Wenus potrzebuje 243 ziemskich dni, by wykonać jeden obrót wokół własnej osi. (Żaden z tych okresów rotacji nie był znany astronomom w 1659 r.). Dlaczego 24 godziny Marsa? Dla astronomów w XVII w. odpowiedź była oczywista: Mars jest podobny Ziemi. Wraz z tym odkryciem rozkwitł urok Marsa jako ważnej planety do badań.

W 1666 r. włoski i papieski astronom Giovanni Domenico Cassini urządzał się w Paryżu jako Jean Dominique Cassini, pierwszy dyrektor Obserwatorium Paryskiego, mianowany przez króla Ludwika XIV. Jednak obserwatorium w Paryżu nie zostało jeszcze ukończone. W rezultacie w lutym i marcu Cassini pozostał w Bolonii, gdzie przeprowadzał serię obserwacji Marsa. Cassini dostrzegł ciemne plamy na Marsie i to, jak poruszają się z dnia na dzień ze wschodu na zachód wzdłuż widocznego dysku planety.

Rys. 3.3 | Szkic Marsa wykonany przez Giovanniego Cassiniego na początku 1666 r. Obraz z Flammarion, La Planète Mars, 1892.

Co ciekawe, te ciemne plamy nie powróciły do swoich pozycji dokładnie 24 godziny później. Zamiast tego osiągnęły tę samą pozycję po 24 godzinach i 40 minutach. Cassini doszedł do poprawnego wniosku, że Mars dokonuje jednego obrotu wokół własnej osi w czasie 24 godzin 40 minut, a nie dokładnie 24 godzin44.

W 1686 r. francuski intelektualista Bernard Le Bovier de Fontenelle opublikował jedną z najpopularniejszych książek na temat astronomii w XVII w., Rozmowy o wielości światów (Entretiens sur la pluralité des mondes). Do 1800 r. Rozmowy, w których żywe istoty istniały, przynajmniej w wyobraźni Fontenella, na każdej planecie, zostały przetłumaczone na język duński, holenderski, niemiecki, grecki, włoski, polski, rosyjski, hiszpański i szwedzki. Książka trafiła też do katolickiego Indeksu ksiąg zakazanych, gdzie pozostała do 1825 r. Mimo że Fontenelle nie zaludnił Marsa inteligentnymi Marsjanami, opisał spektakularną i olśniewającą planetę z olbrzymimi skałami, które gromadzą światło dzienne, a później świecą w nocy. W wyobraźni Fontenelle’a te fluorescencyjne skały, wraz z wielką ilością świecących ptaków, rozświetlały marsjańskie ciemności. Życie na Marsie Fontenelle’a jest niepodobne do życia na Merkurym i Wenus. Zarówno mieszkańcy Merkurego, jak i Wenus są wypaleni Słońcem. Marsjańskie ptaki żyją zaś w cudownym świecie piękna: „nikt nie może sobie wyobrazić przyjemniejszych scen niż skały rozświetlające krajobraz po zachodzie Słońca i zapewniające wspaniałe światło bez niedogodnego ciepła”45. Społeczeństwo nauczyło się od Fontenelle’a, że Mars jest pięknym, przyjemnym światem, podobnym do Ziemi i bogato zapełnionym żywymi istotami.

Obserwacje dokonane przez bratanka wielkiego Cassiniego – Giacomo Filippo Maraldiego przyczyniły się do znacznego rozwoju naszej wiedzy o Marsie, sprawiły też, że wydawał się on jeszcze bardziej podobny do Ziemi. Cassini zatrudnił Maraldiego jako asystenta astronoma w obserwatorium Uniwersytetu Paryskiego, gdzie zajmował się obserwacją planet. Maraldi dokonał czterech znaczących odkryć w 1704 r., podczas opozycji Marsa. Następnie czekał cierpliwie przez 15 lat i potwierdził te wyniki podczas kolejnej bliskiej opozycji w 1719 r. Maraldi nieznacznie poprawił naszą wiedzę na temat okresu rotacji Marsa. Wyznaczył, że Mars obraca się w czasie 24 godzin i 39 minut, a nie 24 godzin i 40 minut. Ustalił również, że Mars ma ciemne plamy, lecz w przeciwieństwie do ciemnych plam na Księżycu, marsjańskie mają różne kształty i położenie na globie. Co więcej, Maraldi odkrył, że Mars na biegunie północnym i południowym ma jasne plamy, które zmieniają swój wygląd w miarę upływu czasu. W rzeczywistości jasna plama na południu, która była nieco przesunięta względem dokładnego położenia bieguna południowego, podobnie jak jasna plama na północy, czasami znikała całkowicie. Maraldi dołożył starań, by uniknąć spekulacji dotyczących jasnych polarnych plam, choć doszedł do wniosku, że zmiany w ich wyglądzie następują z powodu jakiś rzeczywistych fizycznych procesów zachodzących na powierzchni Marsa46. Ówcześni astronomowie nie potrzebowali wiele wyobraźni, by przypuszczać, że te jasne obszary były czapami lodowymi podobnymi do tych na Ziemi.

Przez większość XVIII w. wiedza na temat Marsa przyrastała powoli, lecz gwałtowny zwrot nastąpił w 1780 r. wraz z pracami Williama Herschela. Lista ważnych osiągnięć naukowych Herschela, prawie wszystkich dokonanych z pomocą jego siostry Caroline, jest długa. Odkrył planetę Uran. Dowiódł, że niektóre gwiazdy krążą wokół innych w tak zwanych systemach gwiazd podwójnych oraz że wszystkie gwiazdy nie mają takiej samej jasności, niektóre z nich świecą słabiej, a inne w naturalny sposób jaśniej. To odkrycie wydaje się oczywiste i nieciekawe dla współczesnego studenta astronomii, ale przed 1800 r., poza niewielką liczbą gwiazd, które były znane z tego, że ich jasność się zmienia, nie istniał definitywny dowód tego, że pewne gwiazdy są jaśniejsze od innych. Herschel stworzył również mapę całego nieba, notując przy tym położenie oraz pozorną odległość każdej gwiazdy, którą był w stanie zobaczyć. Myśląc, że najsłabsze widoczne gwiazdy na niebie zaznaczają odległy brzeg wszechświata, uważał, że wytyczył mapę całego kosmosu. Jednak wszechświat Herschela okazał się mapą części naszej galaktyki, Drogi Mlecznej, a nie całego wszechświata. Astronomowie nie rozumieli tego aż do lat dwudziestych, kiedy Edwin Hubble zrewolucjonizował astronomię swoimi odkryciami. Herschel zaobserwował również istnienie światła poza zakresem widzialnym dla naszych oczu, odkrył światło poza kolorem czerwonym, które dzisiaj nazywamy światłem podczerwonym. Dokonał tego, przepuszczając światło słoneczne przez pryzmat oraz mierząc ilość ciepła zaabsorbowanego przez termometry oświetlone wyłącznie światłem odpowiednio niebieskim, żółtym i czerwonym. Następnie umieścił czwarty termometr tuż za czerwonym widzialnym końcem widma, gdzie pozornie nie był bezpośrednio wystawiony na działanie promieni słonecznych. Zaobserwował, że ten termometr mierzy również ciepło, które – jak prawidłowo wydedukował – dociera ze Słońca na Ziemię w formie takiego koloru światła, którego nasze oczy nie dostrzegają. Ta obszerna, ale niewyczerpująca lista ważnych odkryć i pomiarów uzasadnia historyczną pozycję Herschela jako największego astronoma XVIII w.

Herschel przeprowadził również bardzo dokładne obserwacje Marsa. Dzięki jednej z nich astronomowie jego czasów wykonali kolejny krok do uznania Marsa za klona Ziemi. Odkrył on, że rozmiar jasnej plamy na biegunie północnym i południowym, domniemanej pokrywy lodowej widzianej po raz pierwszy przez Maraldiego wiek wcześniej, wzrasta i zanika antysynchronicznie. Kiedy północna plama polarna kurczy się, rozrasta się południowa. Kiedy natomiast rozrasta się północna polarna plama, kurczy się południowa. Zaproponował następujące wyjaśnienie tego zjawiska: pokrywy lodowe zmieniają się wraz z porami roku. Gdyby Herschel mógł udowodnić tę hipotezę, wtedy byłby w stanie wykazać, że na Marsie pory roku nie tylko istnieją, lecz także zmieniają się na północnej i południowej półkuli co pół marsjańskiego roku, podobnie jak na północnej i południowej półkuli Ziemi.

Na podstawie wielu dokładnych obserwacji dokonanych od 1777 do 1783 r. Herschel był w stanie dowieść, że oś rotacji Marsa jest nachylona względem płaszczyzny orbity dookoła Słońca pod kątem 28,7˚ (astronomowie nazywają ten własność planet nachyleniem osi obrotu) i zmierzył okres rotacji o wartości 24 h 39 min 21,67 s. Pomylił się tylko nieznacznie. Nachylenie osi Marsa jest mniejsze – około 25,2˚, a okres obrotu jest dłuższy – 24 h 39 min 35 s. Herschel zasługuje jednak na duże uznanie za dobrze wykonaną pracę. Co istotniejsze, nachylenie osi obrotu Marsa pod kątem 25˚ jest prawie takie same jak nachylenie ziemskiej osi obrotu względem płaszczyzny orbity dookoła Słońca, które wynosi 23,5˚. To nachylenie Ziemi, a nie zmieniająca się odległość Ziemi od Słońca, jest podstawową przyczyną istnienia okresowych zmian pór roku na Ziemi. Zatem Mars, mając oś nachylenia prawie identyczną z ziemską, również musi mieć wiosnę, lato, jesień i zimę. Te pory roku będą występować przeciwnie na północnej i południowej półkuli Marsa, podobnie jak na Ziemi. W Australii jest lato, kiedy na Alasce trwa zima. Odkrycie osi nachylenia Marsa przez Herschela udowodniło niemal z pewnością, że jasne obszary polarne na Marsie to powłoki lodowe. (O tym, jakiego rodzaju był to lód, debatowano jeszcze przez kolejny wiek).

Mars stawał się coraz bardziej podobny do Ziemi z każdym nowym odkryciem. W drugim odczycie wygłoszonym 11 marca 1784 r. przed Towarzystwem Filozoficznym Bath w Anglii Herschel doszedł do wniosku, że analogia pomiędzy Marsem i Ziemią jest z pewnością bardziej ewidentna niż dla każdej innej planety w Układzie Słonecznym. Ich dzienny ruch (długość dnia) jest prawie taki sam. Nachylenie do ekliptyki, będące przyczyną występowania pór roku, jest podobne. Ze wszystkich zewnętrznych planet (tych bardziej oddalonych od Słońca niż Ziemia), odległość Marsa od Słońca najbardziej przypomina ziemski i w rezultacie długość marsjańskiego roku nie jest bardzo różna od naszego47.

Ostatecznie Herschel doszedł do wniosku, że Mars ma atmosferę. Z jednej strony uznał, iż musi jej być dość dużo, dlatego że widać, jak jasność planety zmienia się różnych miejscach, co uzasadnił obecnością chmur i gazów w atmosferze. Z drugiej strony mógł jednak obserwować gwiazdy, które pojawiały się w odległości od 3 do 4 minut łuku (pomiędzy 1/20 i 1/15 średnicy kątowej Księżyca w pełni) od tarczy planety i nie zmieniały swojej jasności, kiedy zbliżały się do Marsa.

Rys. 3.4 | Zdjęcie pochodzące z Kosmicznego Teleskopu Hubblea, przedstawiające Mars widziany w 2001 r. z odległości 68 milionów kilometrów od Ziemi. Lód widać na południowej czapie polarnej (na dole), podczas gdy burza pyłowa zasłania północną czapę polarną (na górze). Drugą gigantyczną burzę piaskową można dostrzec w Basenie Hellas (prawy dolny róg). Widoczne są wodne chmury lodowe otaczające północne krańce biegunów, rozciągające się na północ od południowej czapy polarnej i w pobliżu marsjańskiego równika. Zdjęcie dzięki uprzejmości NASA i Zespołu Hubble Heritage (NASA/ESA and The Hubble Heritage Team STScI/AURA).

Na podstawie tych obserwacji uznał, że atmosfera Marsa rozciąga się na niewielką odległość od jego powierzchni. W przeciwnym razie marsjańska atmosfera rozmazywałaby i osłabiałaby światło tych gwiazd, kiedy Mars przechodził w ich pobliżu.

Ostatnie znaczące odkrycia uzupełniające naszą wiedzę o Marsie, które nastąpiły, zanim grupa XIX-wiecznych astronomów zaczęła odwzorowywać powierzchnię Marsa, zostały dokonane przez znakomitego niemieckiego astronoma Johanna Hieronymusa Schrötera. Posiadał on obserwatorium w mieście Lilienthal, gdzie był głównym sędzią. Lista dokonań astronomicznych Schrötera jest długa. Jako pierwszy udowodnił, że Wenus ma atmosferę, i był jednym z sześciu astronomów, którzy sami siebie nazwali Detektywami z Lilienthal albo Niebiańską Policją. Zebrali się, by odnaleźć rzekomo brakującą planetę krążącą wokół Słońca pomiędzy Marsem i Jowiszem. Ostatecznie w ciągu zaledwie siedmiu lat, od 1801 do 1807 r., członkowie tego wybitnego zespołu astronomów odkryli w części Układu Słonecznego znanego obecnie jako pas asteroid, cztery takie obiekty – Ceres, Pallas, Juno i Westę.

Schröter obserwował Marsa prawie nieprzerwanie przez 18 lat, od 1785 do 1803 r., i sporządził 230 różnych jego rysunków. Potwierdził większość odkryć Herschela, otrzymując podobne, ale nieznacznie różniące się wartości dla nachylenia (27,95˚) i okresu rotacji (24 h 39 min 50 s). Najważniejszymi zasługami Schrötera dla naszej wiedzy na temat Marsa były jego obserwacje ciągłych zmian, czasami co godzinę, we wzorach ciemnych plam na Marsie. Te wzory nigdy nie były takie same, zmieniały się z nocy na noc i z roku na rok. Schröter doszedł do wniosku, że to chmury są odpowiedzialne za zmieniające się kolory, które zaobserwował na Marsie. W rzeczywistości uwierzył, że same plamy były raczej zjawiskami atmosferycznymi niż cechami powierzchni48.

Do końca XVIII w., po dwustu latach obserwacji Marsa przez teleskop, uzyskano wiarygodny portret Czerwonej Planety. Astronomowie dokładnie zmierzyli okres rotacji Marsa, nachylenie osi obrotu, zaobserwowali czapy polarne, które narastają i zanikają wraz z porami roku oraz obecność cienkiej atmosfery z chmurami, które czasami zasłaniają część powierzchni planety. To, co wydedukowali, było oczywiste dla astronomów i dla każdego, kto się tym interesował: okres rotacji Marsa jest prawie taki sam jak dobowy okres obrotu Ziemi, nachylenie osi Marsa jest prawie takie samo jak nachylenie osi ziemskiej, zmiany pór roku na Marsie są takie jak pory roku, które obserwujemy na Ziemi oraz cienka atmosfera, która jest czasami przejrzysta, a czasami nieprzejrzysta wraz z chmurami zachowuje się tak samo jak zachmurzona atmosfera ziemska. Ustalili, że Mars i Ziemia to fizyczne bliźnięta.