A gravitációelmélet kifejlődése
Kepler, Galilei és követőik munkássága nyomán a kopernikuszi heliocentrikus világkép lassan általánosan elfogadottá vált a XVII. századra. Ekkoriban kezdődött a fizika egyre erőteljesebb térhódítása, ami szorosan összefüggött a csillagászat fejlődésével. A mechanika mozgástörvényeinek keresésében a bolygómozgás magyarázata jelentette a legnagyobb kihívást a tudósok számára.
Descartes örvényelmélete
René Descartes (1596–1650) francia filozófus és matematikus szerint a világ megismerése csak a matematika segítségével lehetséges. Az égitestek mozgását az általa kidolgozott örvényelmélettel próbálta magyarázni. Eszerint a világ egy folyadékszerű ősanyaggal van kitöltve, ami örvénylő mozgást végez. A Nap is egy ilyen örvény középpontja. A Nap körül örvénylő anyag magával sodorja a Földet és a többi bolygót. Az örvények időnként összeomlanak, ekkor az örvénymag elkezd sodródni a többi örvénymaghoz képest – ezekből lesznek az üstökösök.
Az örvényelméletről hamar kiderült, hogy nem egyezik a tapasztalattal, nincs összhangban a Kepler-törvényekkel, ennek ellenére sokáig fennmaradt mint hipotézis.
Newton munkássága
Isaac Newton (1643–1727) angol fizikus és matematikus, az angol Királyi Akadémia (Royal Society) titkára, a tudománytörténet egyik legnagyobb alakja. A fizika és matematika területén számos új felfedezés kötődik nevéhez. Felismerte, hogy ugyanaz az erő (a gravitáció) felelős a Föld felé eső testek és a Nap körül keringő bolygók mozgásáért, képletbe foglalta a gravitációs erő törvényét. Megalkotta a testek mozgásának általános törvényeit, melyek azóta is a mechanika alaptételei (Newton-axiómák). Az általa felírt mozgásegyenlet megoldásával matematikai úton igazolta a bolygók ellipszispályáját és a többi Kepler-törvényt. Elméleti eredményeit a Philosophiae naturalis principia mathematica (A természetfilozófia matematikai alapjai) című fő művében jelentette meg.
A fény vizsgálatával is behatóan foglalkozott. Elképzelése szerint a fény nagyon gyorsan mozgó részecskékből (fotonokból) áll, melyet azóta számos kísérlet igazolt. Elsőként írta le, hogy az üvegprizma a napfényt a szivárvány színeire bontja.
Megalkotta az egymással szembefordított homorú és síktükörből álló Newton-távcsövet, mely mentes a lencsés távcsövek színi hibáitól, és később a csillagászatban óriási előrelépést eredményezett.
A világ egészéről alkotott kozmológiai elképzelései is figyelemre méltóak. Szerinte a Világmindenség végtelen, és az anyag egyenletes sűrűséggel tölti ki. Ellenkező esetben ugyanis a gravitáció hatására minden anyag egy pontba húzódna össze, amit nem tapasztalunk. A Naprendszer jövőjének tanulmányozása során azt az eredményt kapta, hogy a bolygók a jelenlegi pályájukon nem maradhatnak hosszú ideig, ezért a Naprendszer néhány évszázad alatt felbomlik. Mivel ez már az akkori tapasztalatokkal is ellentmondott, arra a következtetésre jutott, hogy Isten jelenléte szükséges a bolygók pályán tartásához.
Az égi mechanika kifejlődése
A matematika fejlődése lehetővé tette az égitestek mozgásának egyre pontosabb leírását, vagyis az égi mechanika kifejlődését.
Edmund Halley
Newton elméletének felhasználásával kortársa és kollégája, Edmund Halley (1656–1742) angol csillagász üstökösök mozgását vizsgálta, és rájött, hogy pályájuk nagyon elnyúlt ellipszis – tehát időről időre visszatérnek!
A róla elnevezett, 76 éves periódussal keringő Halley-üstökös visszatérését évre pontosan megjósolta, de az eseményt már nem érhette meg.
Pierre Simon Laplace
Az égimechanikai számítások legnagyobb alakja Pierre Simon Laplace (1749–1827) francia matematikus, elméleti fizikus volt. Továbbfejlesztette a Newton-féle mozgásegyenlet megoldásának matematikai módszerét több égitest mozgásának kiszámítására (ún. perturbációszámítás). Ennek segítségével sikerült igazolnia, hogy a Naprendszer égitestjei hosszabb ideig megtartják jelenlegi pályájukat, ellentétben Newton korábbi (hibás) eredményével.
Kidolgozott egy elképzelést a Naprendszer keletkezésére is: eszerint a Naprendszer egy lassan forgó ősköd összehúzódása során jött létre. Az összehúzódás miatt a forgás felgyorsult, a leszakadó külső részekből alakultak ki a bolygók, míg a középpontba tömörülő anyagból keletkezett a Nap (Laplace-féle ködhipotézis). Lényegében ma is hasonló mechanizmussal képzeljük el a Nap és a csillagok keletkezését.
Charles Messier
Badonviller, Lotaringia, 1730. június 26. – Párizs, 1817. április 12.
Francia csillagász, a párizsi Tengerészeti Obszervatórium munkatársa. Első feladata, a Halley-üstökös 1758-ra előrejelzett visszatérésének megfigyelése látványos kudarccal zárult számára, mivel főnöke hibás utasításait kellett követnie. Ezután egész életét új üstökösök felfedezésének szentelte. Távcsövével rendszeresen átvizsgálta az égboltot, üstökösök után vadászva. Munkájának eredményeként több mint 50 üstököst sikerült megfigyelnie, ebből 15-öt ő maga fedezett fel, amivel jelentősen hozzájárult az üstökösökről való ismeretekhez (1750-ig az emberiség összesen kb. 50 üstököst figyelt meg).
Elismerésül a francia és számos más európai ország Királyi Akadémiájának tagjává választották. Az utókor számára legjelentősebb felfedezései azonban nem az üstökösök, hanem az égi „ködfoltok” voltak, melyeket Messier maga csak „mellékterméknek” tekintett. Üstökösöket keresve Messier olyan objektumokra bukkant, melyek üstökösszerű, diffúz, ködszerű képet mutattak a távcsőben. Az üstökösöktől csak az különböztette meg őket, hogy nem mozogtak. Ezek pozícióját és egyéb adatait Messier táblázatokba foglalta, azért, hogy biztosan ne tévessze őket össze új üstökösökkel. A híres Messier-katalógusról csak később derült ki, hogy az abban szereplő objektumok újabb rejtélyeket és kihívásokat jelentenek a csillagászok számára.
Messier híres katalógusának első kiadása 1771-ben jelent meg, 45 objektum adataival. Az első kiegészítésre 1780-ban került sor, ekkor 23 új objektummal bővült a lista. A második kiegészítés Messier kollégája, Méchain nevéhez fűződik, ő további 35 új objektumot sorolt fel. Az objektumokat M betűvel és a katalógusbeli sorszámmal azonosítjuk (M1, M2, …, M110).
A katalógusban szereplő főbb objektumtípusok:
- nyílthalmazok
- gömbhalmazok
- diffúz gázfelhők
- planetáris ködök
- galaxisok
William Herschel
(Hannover, 1738. november 15. – Slough, Anglia, 1822. augusztus 25.)
Német származású angol csillagász, az angol Királyi Akadémia tagja. Tehetséges zenészként dolgozott, mikor néhány könyv elolvasása felkeltette a csillagászat iránti érdeklődését. Ezután zenészi pályafutását abbahagyva egyre komolyabban fordult a csillagászat felé.
Kezdettől fogva a távcsövek és távcsöves megfigyelések vonzották. Kísérletezni kezdett minél nagyobb saját távcsövek megalkotásával. Hamar rájött, hogy a Newton-féle tükrös távcsőből sokkal könnyebb nagyméretű műszert készíteni, mint az akkoriban szokásos lencsés távcsövekből.
Hosszas próbálkozás után egy 6 méter hosszú, kb. fél méter tükörátmérőjű, és egy 12 méter hosszú, 1,2 méteres tükrű teleszkópot épített, melyek akkoriban a világ legnagyobb távcsövei voltak. Ezekkel látott neki az égbolt részletes felmérésének, melyben húga, Caroline Herschel (1750–1848), az első női üstökösfelfedező is nagy segítségére volt.
Először a Messier-katalógusból ismert objektumokkal foglalkozott. Rájött, hogy számos ezekhez hasonló objektum van az égbolton, kb. 2000 új „ködöt” fedezett fel. Kettőscsillagok megfigyeléseiből kimutatta, hogy a két csillag egymás körül ellipszispályán kering, látványosan igazolva a newtoni mechanika érvényességét a csillagok világában. 1781-ben (szerencsés véletlennek köszönhetően) felfedezett egy új, Szaturnusznál távolabbi bolygót, mely az Uránusz nevet kapta.
Fénytani kísérleteket is folytatott, ennek során rájött, hogy a Nap színképében a hő nagy része a látható szakaszon kívüli infravörös tartományba esik. A Tejút csillagainak felméréséből a csillagok Nap körüli eloszlását kívánta tanulmányozni. Bár hibás feltevésekből indult ki, sikerült kimutatnia, hogy a csillagok nem gömbszimmetrikusan veszik körül a Napot, hanem lapos, korong alakzatot formálnak. Ez az eredmény vezetett később a Tejútrendszer korong alakjának és spirálszerkezetének felismerésére.
Fia, John Herschel (1792–1871) apja munkáját folytatva a déli féltekére (egész pontosan Dél-Afrikába) költözött, és a Jóreménység-fokánál alapított új csillagvizsgálóból a déli égbolt részletes felmérését végezte el.
A modern csillagászat kezdetei
A modern csillagászat kezdetei
A modern csillagászat számos különleges objektumot fedezett fel: kvazárok, pulzárok, blazárok, és rádiógalaxisok, és ezeket a megfigyeléseiket olyan elméletek kifejlesztésére fordították, melyek leírják az olyan különös objektumokat, mint a fekete lyukak és a neutroncsillagok.
A 20. század folyamán a kozmológia komoly fejlődésen esett át: az általános relativitáselmélet és a magfizika lehetővé tette, hogy kifejlesszék az ősrobbanás elméletét, ami szerint a világegyetem térfogata valaha nagyon kicsiny volt, és azóta tágul. Ezt több megfigyelés is alátámasztja, mint a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, a Hubble-törvény és a kémiai elemek gyakorisági eloszlása.
A 20. század végén bocsátották fel az első űrtávcsövet, a Hubble-t. A Hubble űrtávcső 1990. május 18-án készítette az első képeket, amelyek azonban nem megfelelő minőségűek voltak, ezért 1993-ban javításokat kellett elvégezni rajta. A távcső felvételeket készített az Abell 2218 galaxishalmazról, csillagok haláláról, szupernóvákról. A Hubble utóda a James Webb űrtávcső lesz, amely 2021-ben áll a Nap-Föld rendszer L2 Lagrange-pontjára. Az új távcső 6,4 méter tükörfelületen gyűjti be a fényt, ami a Hubble háromszorosa, és sokkal messzebbre is lát elődjénél.
A színképelemzés és a modern asztrofizika kialakulása
Newton korábbi felfedezését, a napfény színekre bontását, a fizikusok laboratóriumi kísérleteikben sokféle formában alkalmazták és továbbfejlesztették. Joseph Fraunhofer (1787–1826) német optikus 1815-ben észrevette, hogy a Nap színképe rengeteg keskeny, sötét vonalat tartalmaz. A laboratóriumi gyertyák és különböző anyagok lángjai viszont nem ilyenek, ezeknek a színképei ugyanis fényes, világító vonalakból állnak.
E felfedezés óriási jelentőségére Gustav Kirchhoff (1827–1887) és Robert Bunsen (1811–1899) német tudósok bukkantak rá, mikor kimutatták, hogy a különböző kémiai elemek színképvonalai azonos helyen találhatók, mind a lángok, mind a Nap színképében. Ez alapján Kirchhoff és Bunsen számos ismert anyagot (vasat, nátriumot, kalciumot, magnéziumot és tucatnyi más elemet) azonosított a Nap színképében. Lehetővé vált az, amiről sokáig úgy vélték, abszolút lehetetlen: az égitestek anyagi összetételének meghatározása. 1866-ban egy új elemet, a héliumot először a Nap színképében azonosították (a Földön ezt az anyagot addig nem ismerték), később derült csak ki, hogy bolygónkon is fellelhető.
A színképelemzés hamar utat tört magának a csillagászatban és igen népszerű vizsgálati módszerré vált. Hamar kiderült, hogy a különböző objektumok teljesen eltérő színképeket mutatnak: a csillagok a Naphoz hasonló színképűek (színes háttér, sötét, ún. abszorpciós vonalak), a spirálködök úgyszintén, míg a diffúz ködök a lángok színképére hasonlítanak (sötét háttér, fényes, ún. emissziós vonalak). Ebből világossá vált, hogy a diffúz ködök nem csillagokból állnak, hanem ritka gáz alkotja őket, mint a laboratóriumi gázlámpákat. Ezen vizsgálatok fő úttörője az angol William Huggins (1842–1910) volt, de a csillagászati színképelemzés fejlődésében két híres magyar csillagász, Konkoly Thege Miklós (1842–1916) és Gothard Jenő (1857–1909) is fontos szerepet játszott.
Christian Doppler (1803–1853) osztrák fizikus 1842-ben vette észre, hogy a színképvonalak kismértékben eltolódnak, ha a fényforrás és a megfigyelő egymáshoz képest mozog: közeledés esetén a kék felé, míg távolodás esetén a vörös felé.
A Doppler-effektus csillagászati alkalmazhatóságára elsőként Hermann Vogel (1841–1907) német csillagász mutatott rá, aki igen precíz munkával sok csillag Földhöz viszonyított közeledését vagy távolodását mérte ki. Ezzel a módszerrel ugyan csupán a látóirányú mozgást lehet kimutatni, ennek jelentősége azonban óriási, mivel a nagyon távoli, Naprendszeren kívüli égitestek mozgásállapotáról egyébként semmi információnk nem lenne.
A csillagszínképek csoportosítását, osztályozását az amerikai Harvard Egyetem Obszervatóriumának munkatársai, Edward Pickering (1846–1919) és Annie Cannon (1863–1941) dolgozták ki. 7 fő osztályt (O, B, A, F, G, K, M) és 3 mellékosztályt (R, N, S) határoztak meg a csillag színe, a vonalak száma és erőssége alapján: az O-tól az M felé a csillagok egyre vörösebb színűek és egyre több vonal található a színképben. Később kiderült, hogy a Harvard-féle színképosztályok a csillagok felszíni hőmérséklet szerinti csoportosításának felelnek meg. A csillagszínképek megismerése nagyon fontos lépés volt a csillagfejlődés folyamatának megértésében.
A különböző színképosztályok csillagainak spektruma. Nagyon jól nyomon követhetők azok a különbségek, melyek alapján elkészült ez a felosztás.
A bal oldali oszlopban a színképosztályokat látjuk, míg a jobb oldalon az
illető csillag katalógusszáma szerepel.