Leszek BłaszkiewiczObiekty kosmiczne, takie jak gwiazdy, a w szczególności nasze Słońce, wybuchy supernowych, pulsary, mgławice czy galaktyki pojawiają się jako entourage w utworach SF. Szczególnie często przywoływane są czarne dziury, które swą egzotyką i tajemniczością szczególnie wpływają na wyobraźnię. Oczywiście ciekawość podsyca nauka. Kolejne doniesienia o nowoodkrytych planetach, mapa pokazująca położenie 25 tysięcy supermasywnych czarnych dziur wykonana siecią radioteleskopów LOFAR, podobny do pomarańczowego donata, obraz aktywnego jądra odległej galaktyki. Obserwatorium fal grawitacyjny LIGO odbiera sygnały od zderzających się czarnych dziur i gwiazd neutronowych. Nauka i tajemniczość sprawiają, że obiekty astrofizyczne doskonale nadają się do roli charakterystycznych gadżetów w SF.
Czarne Dziury
Pojęcie czarna dziura powstało w 1969 roku, a zaproponował je późniejszy Noblista John Archibald Wheeler, jednakże koncepcja obiektów pochodzi jeszcze z początku XIX wieku. Jej twórcą jest Pierre Simon de Laplace, wybitny francuski matematyk, astronom, geodeta i fizyk, aczkolwiek Anglicy pierwszeństwo dają swojemu rodakowi, astronomowi Johnowi Mitchellowi. Neutralnie możemy przyjąć, że obaj niezależnie zastanawiali się nad kwestią rzutu pionowego kamienia. Im szybciej rzucimy, tym wyżej poleci, a gdy przekroczy pewną graniczną prędkość ucieknie w przestrzeń kosmiczną. Prędkość nadana kamieniowi, by odleciał w kosmos, zwana prędkością ucieczki, musi być tym większa, im większa jest masa planety czy gwiazdy, z której chcemy uciec. Jeśli światło jest rojem cząstek obdarzonych niewielką masą – tak właśnie Mitchell i Laplace za Newtonem zakładali – wówczas światło nie zdoła uciec z odpowiednio masywnej gwiazdy, więc ta nie będzie świecić. Będzie czarną gwiazdą.
Poważne badania nad problemem rozpoczęły się, gdy w 1916 roku Albert Einstein ogłosił swoją Ogólną Teorię Względności. Jeszcze w tym samym roku Karl Schwarschild, służący w szeregach niemieckiej armii, pokazał rozwiązanie równania Einsteina dla sferycznie symetrycznej gwiazdy, określając tzw. promień Schwarzschilda. Jest to o tyle ważne, że obiekt mniejszy niż objętość wynikająca z jego promienia Schwarzschilda dziś nazywany jest czarną dziurą, zaś powierzchnia wyznaczana przezeń spełnia rolę horyzontu zdarzeń (nazwa ta powstała dopiero w 1958, a zaproponował ją David Ritz Finkelstein, badający zjawiska na granicy promienia grawitacyjnego). Dla przykładu dla Słońca promień Schwarzschilda wynosi 2953 m, zaś dla masy Ziemi – 8.8 mm. Dla całej Galaktyki to około ćwierć roku świetlnego, czyli jakieś 2,5 biliona km.
Mimo, że początkowo pracom dotyczącym promienia grawitacyjnego nie przypisywano większej roli, to już w 1937 roku Robert Oppenheimer i Hartland Snyder sugerowali, że obiekty takie mogą powstać poprzez kolaps, czyli samoistne zapadanie się gwiazd. Prawdziwy rozkwit badań nad czarnymi dziurami to lata 70. i późniejsze. Wypada podkreślić, że w Polsce obiekty te nazywane były początkowo czarnymi dołami albo kolapsarami.
Jaki jest stan materii i informacji przekraczającej horyzont zdarzeń, czy czarna dziura wszystko tylko pochłania i jakie są czarne dziury. Zaczynając od ostatniego z pytań warto nadmienić, że mogą istnieć mikroskopijne czarne dziury związane z samą strukturą czasoprzestrzeni (tzw. piana kwantowa), mogą istnieć też pierwotne czarne dziury, które powstawały w początkowych etapach ewolucji Wszechświata. Na pewno jednak istnieją tzw. gwiazdowe czarne dziury, powstające poprzez kolaps gwiazd i supermasywne, znajdujące się w centrach galaktyk. Te pierwsze były przyczyną zakładu zawartego w 1974 roku pomiędzy Stephenem Hawkingiem i Kip Thornem. Założyli się wtedy o to czy słynny obiekt Cygnus X-1 zawiera czarną dziurę, czego przeciwnikiem był Hawking. 16 lat później Hawking wykupił dla Thorne’a dożywotnią prenumeratę Penthause’a uznawszy, że przegrał zakład. Supermasywną czarną dziurę (a w zasadzie jej najbliższe otoczenie, tzw. dysk akrecyjny) jakiś czas temu udało się zobrazować dzięki niezwykle skomplikowanym technikom globalnego teleskopu, pozwalającym odtworzyć obszar wielkości układu słonecznego z odległości ponad 53 milionów lat świetlnych (!).
Twory te dosyć szybko przedostały się do wyobraźni twórców SF, być może za sprawą tego, że wymyślone jeszcze w talach 30. ubiegłego wieku przez Einsteina i Nathana Rosena, a związane ze szczególnym opisem geometrii przestrzeni, tak zwane mosty Einteina-Rosena w latach 60. nazwane przez Archibalda Wheelera wormholami są kojarzone z czarnymi dziurami. To właśnie czarna dziura ma być według niektórych teorii początkiem i końcem wormhola, traktowanego jako skrót w czasoprzestrzeni. Chyba najbardziej znanymi realizacjami tego pomysłu są kolapsary z Wiecznej Wojny Joe Holdemanna, czy też słynna brama z filmowej serii Stargate, gdzie wyglądająca jak woda powierzchnia jest w istocie powierzchnią horyzontu zdarzeń. Czarne dziury gościły też w takich filmach jak zapomniany już obraz The Black Hole z 1979 w reż. Gary Nelsona (ponoć ma powstać remake tego obrazu) albo w znakomitym i mocno naukowym Interstellar z 2014 roku ze scenariuszem i w reżyserii Christophera Nolana. Czarna dziura pojawia się często jako gadżet w space operach: jest bronią, albo – jak w przypadku serii Iana Douglasa Star Carrier – stanowią źródło napędu małych jednostek, które kreując je w odpowiednim miejscu na zewnątrz poruszają się dzięki grawitacyjnemu spadaniu na nie. Napędy oparte o czarne dziury znajdujemy u Arthura C. Clarke’a w Imperialnej Ziemi (1975), a w 7Ev napisanej przez Neila Stephensona w 2015 roku, najprawdopodobniej czarna dziura niszczy Księżyc.
Supernowe
Zjawisko określane mianem supernowej odnosi się do kosmicznych eksplozji gwiazd (pojedynczych lub w układach gwiazdowych), powodujących nagłe pojawienie się na niebie niezwykle jasnego obiektu, który po kilku tygodniach lub miesiącach staje się niemal niewidoczny. W historii obserwacji nieba niejednokrotnie znajdujemy doniesienia o pojawieniu się bardzo jasnych obiektów na niebie, niekiedy nawet widocznych za dnia. Pisali o tym kronikarze Chińscy w 1054 roku, w 1572 roku taki obiekt obserwował i opisał dokładnie Tychon de Brache, zaś w 1604 roku Jan Kepler obserwował obiekt takiego rodzaju.
Wybuchy supernowych zdarzają się, biorąc pod uwagę skale czasu przez nas stosowane, niezwykle rzadko. W Drodze Mlecznej, galaktyce zbudowanej z kilkuset miliardów gwiazd, taki wybuch zachodzi średnio co około 100 lat. Warto podkreślić, że eksplozja supernowej z ogromną siłą wyrzuca w przestrzeń większość lub całą materię gwiazdy, tworząc stopniowo rozszerzającą się mgławicę, określaną mianem Supernova Remnants.
Generalnie i bardzo skrótowo można napisać, że są dwie możliwe drogi prowadzące do takiego wybuchu. W przypadku pierwszym w jądrze masywnej gwiazdy przestają zachodzić reakcje termojądrowe, co powoduje zapadanie się gwiazdy pod własnym ciężarem. Jadro zapada się, a powstała w wyniku tego fala uderzeniowa rozrywa zewnętrzne części gwiazdy. Co się z takim jądrem dzieje? Ano staje się ono gwiazdą neutronową, a w przypadku gwiazd początkowo bardzo masywnych, opisywaną już wcześniej czarą dziurą.
W przypadku drugim, pozostałość po ewolucji mało-masywnej gwiazdy, tak zwany biały karzeł, gdy znajduje się w układzie z inna gwiazdą, może pobierać od niej materię. Masa z sąsiedniej gwiazdy powoduje, że biały karzeł może przekroczyć pewną krytyczną masę , zwaną masą Chandrasekhara (od Hinduskiego uczonego, Noblisty, który przedstawił jeszcze w tatach 30. XX wieku teoretyczne modele takich zjawisk), co doprowadza do eksplozji termojądrowej.
Podczas wybuchu supernowej uwalniana jest kolosalna ilość energii, która w czasie kilku dni przekracza energię równą tej, emitowanej przez wszystkie gwiazdy Galaktyki. Energia owa, mknąc przez przestrzeń międzygwiazdową, może być siłą bardzo niszczycielską, a promieniowanie jonizujące oraz fala uderzeniowa są w stanie skutecznie niszczyć życie w odległościach nawet kilkudziesięciu lat świetlnych od epicentrum wybuchu. Przypuszcza sie, że za jedno z wielkich wymierań w historii Ziemi, konkretnie wymieranie ordowickie, jakie miało miejsce ok. 438 mln lat temu, odpowiedzialny jest wybuch pobliskiej supernowej.
Żeby nie było tak strasznie to trzeba koniecznie napisać, że w wybuchy supernowych mają kluczową rolę w przemianach materii we Wszechświecie. O ile na początku, podczas Wielkiego Wybuch powstały głównie wodór i nieco helu, to w przemianach jądrowych wewnątrz gwiazd powstają pierwiastki cięższe, aż do żelaza włącznie. Pozostałe pierwiastki o liczbach atomowych powyżej 26, między innymi miedź, srebro, platyna czy złoto, powstają głównie podczas eksplozji supernowych. Jeżeli szanowny Czytelniku masz przy sobie jakąś biżuterię albo choćby amalgamatowe plomby w zębach, to wiedz, że ta materia powstała podczas wybuch gwiazdy supernowej miliardy lat temu.
Supernowe pojawiają się w filmach i literaturze SF, zazwyczaj jako gadżet katastroficzny. Zacznę krótką listę od najbardziej znanych filmów. W roku 2000, w filmie Supernova załodze statku Nightingale zagraża niebieski olbrzym, który w każdej chwili może eksplodować. W 2002 roku powstała animowana wersja Wyspy Skarbów w konwencji SF, zatytułowana Treasure Planet, gdzie pojawia się wybuch supernowej. W jednej z najnowszych odsłon Star Treka z 2009 roku supernowa niszczy świat Romulan, zaś w 2005 roku pojawia się film zatytułowany Supernova, gdzie wybuchnąć ma Słonce. W roku 2009 powstał film 2012: Supernova, gdzie osią akcji jest wybuch pobliskiej gwiazdy, który zagraża Ziemi.
Motyw supernowej pojawia się w kilku opowiadaniach Isaaca Asimova czy Arthura C. Clarka, ale chyba najbardziej znanym przykładem jest wydana niedawno po polsku powieść Liu Cixin Era Supernowej. W powieści do Ziemi zbliża się fala uderzeniowa po wybuchu supernowej, a przetrwać mają tylko dzieci. Warto wspomnieć też powieść Nova napisaną przez Samuela Delany’ego, gdzie występuje tytułowa gwiazda nowa – zjawisko nieco inne niż supernowa, ale zawsze to coś.
Pulsary czyli gwiazdy neutronowe
Już w latach trzydziestych powstały sugestie, że końcowym etapem ewolucji masywnych gwiazd może być jej grawitacyjne zapadnięcie się prowadzące do wybuchu supernowej, w wyniku czego powstanie supergęsta gwiazda neutronowa. W niecałe 40 lat później, jesienią 1967 roku, dyplomantka z Uniwersytetu w Cambridge Josellyn Bell, pracująca z Anthonym Hewishem zauważyła, że na rolce taśmy zarejestrowały się jakieś poszarpane impulsy. Późniejsze obserwacje pokazały na falach radiowych o długości 3.7 metra, wyraźne impulsy o okresie około 1.337 sekundy i powtarzające się z dokładnością piątego miejsca po przecinku. Co ciekawe, wstępnie interpretowano te dziwne impulsy jako przejaw istnienia cywilizacji pozaziemskich. Dopiero przebywający w Cambridge Thomas Gold zinterpretował sygnał, jako pochodzący od poszukiwanych gwiazd neutronowych. Obecnie tenże historyczny pulsar nosi nazwę PSR1919+21, co tłumaczy się jako Pulsating Source of Radio (pulsujące źródło radiowe) plus skrótowe oznaczenie współrzędnych na sferze niebieskiej.
Czymże są owe tajemnicze pulsary i jakie są mechanizmy wysyłania ultra dokładnych impulsów radiowych? Tak jak już napisałem wcześniej końcowym etapem ewolucji gwiazd masywnych zazwyczaj jest wybuch supernowej, co kończy się powstaniem gwiazdy neutronowej – obiektu o masie nawet kilku mas Słońca i średnicy ledwie 10 km. Takie parametry dają gęstości materii zawartej w gwieździe neutronowej rzędu 100 milionów ton w centymetrze sześciennym. To tak, jakby całe Tatry upchnąć do rozmiarów kostki cukrowej. Dodatkowo pole magnetyczne gwiazdy zostaje ściśnięte w małym obszarze, co powoduje, że jego natężenie staję się bilion razy silniejsze od magnetyzmu ziemskiego. I wreszcie tempo rotacji gwiazdy neutronowej, będąc w zgodzie z zasadą zachowania momentu obrotowego, przybiera wartość od kilku sekund do nawet milisekund. Nagromadzona energia znajduje ujście w pobliżu biegunów magnetycznych gwiazdy w postaci wąskich wiązek promieniowania głównie radiowego, ale obserwuje się także impulsy w dziedzinie optycznej, rentgenowskiej. Obserwowana przez nas pulsacja jest efektem latarni morskiej – impuls rejestrujemy, gdy wiązka promieniowania omiata detektor, czyli radioteleskop, tak jak skupione światło latarni morskiej omiata przybrzeżne obszary morza. Takich dziwacznych obiektów obserwujemy obecnie około dwóch tysięcy, czy zatem znalazły one swe miejsce w fantastyce?
Powieść Alastaira Reynoldsa Przestrzeń Objawienia z roku 2000 przedstawia gwiazdę neutronową o nazwie Hades, jednakże w dalszej części książki okazuje się, że gwiazda jest obcym superkomputerem. Wcześniej, bo w roku 1966 Larry Niven napisał opowiadanie Gwiazda Neutronowa, które ukazało się w tomie 5 słynnych Rakietowych Szlaków. Chyba jednak najbardziej znany jest Pływ Stephena Baxtera z 1993 roku. W tej powieści miniaturowe istoty żyją w obrębie gwiazdy neutronowej.
Jeśli mnie nie myli pamięć to w jednym z odcinków Star Trek: The Next Generation (chyba Imaginary Friend) statek bada rzadką mgławicę, która uformowała się wokół gwiazdy neutronowej, natomiast w serialu Stargate SG-1 jeden z odcinków przedstawia statek Odyseja walczący z trzema statkami-matkami Goa’uldów w pobliżu właśnie gwiazdy neutronowej.
Niezbyt wiele jak na tak ekscytujące obiekty… A może ten tekst wpadnie w ręce pisarzy i znajdą w gwiazdach neutronowych potencjał i natchnienie?
Słońce jako bardzo ważny element SF
Obserwując naszą Dzienną Gwiazdę zazwyczaj nie zastanawiamy się jak wygląda ona naprawdę. Wiemy, co prawda, że słoneczna energia była podstawą powstania życia na Ziemi i jest niezbędna, by życie podtrzymywać, ale czy zastanawiamy się ile Słonce emituje tej energii?
Zacznijmy zatem od wyraźnego stwierdzenia, że Słonce jest gigantyczne (choć w skalach używanych przez astronomów jest określane jako karzeł).Średnica Słońca jest przeszło 109 razy większą niż ziemska, a masa przeszło 330 tysięcy razy przekracza masę Ziemi. O ile temperatura powierzchni to niecałe 6 tyś. stopni, to już w centrum Słońca, tam gdzie zachodzą reakcje termonuklearne, sięga 15 milionów stopni. Ciśnienie w środku Słońca przekracza 300 miliardów (to nie błąd) atmosfer.
Co jest źródłem słonecznej energii? Otóż w samym środku Słońca zachodzą reakcje syntezy helu poprzez polaczenie czterech jader wodoru (który stanowi podstawowy budulec Słońca i większości gwiazd zresztą). I teraz kolejne fantastyczne liczby. Słonce istnieje już ponad 5 miliardów lat i następnych tyle będzie świecić bez istotnych zmian. I wyobraźcie sobie, że przez ten cały czas w każdej sekundzie wewnątrz Słońca około 600 milionów ton wodoru zmienia się w hel. A skąd w takim razie energia? Zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina, E=mc2, około 4 miliony ton materii znika i pojawia się w postaci promieniowania. Daje to jakieś 400 biliardów gigawatów, czyli tyle ile są w stanie wytworzyć wszystkie ziemskie elektrownie… w czasie miliona lat. To promieniowanie dociera oczywiście do naszej planety i jest go około 1.3 kW na każdy metr kwadratowy.
Słonce podlega cyklicznej zmienności, podczas której bywa bardziej lub mniej burzliwe. W czasie maksimum aktywności, oprócz bardzo charakterystycznych słonecznych plam, obserwuje się też rozbłyski, gdzie ze Słońca uwalniana jest dodatkowa energia, zaś w przestrzeń wyrzucane są kierunkowo miliardy ton plazmy. I tu uwaga, może być groźne, ale nie dla chronionych atmosferą i polem magnetycznym ludzi, lecz dla wytworów technicznych naszej cywilizacji. Warto jako przykład podać słynny rozbłysk słoneczny zaobserwowany przez Richarda Carringtona w dniu 2 września 1859 roku. To zjawisko słoneczne było przyczyną jednej z najbardziej intensywnych burz magnetycznych na Ziemi w dotychczasowej historii. Zaburzenia ziemskiego magnetyzmu spowodowały awarie sieci telegraficznych w całej Europie i Ameryce Północnej, a nawet okazjonalne zapalanie się od iskier papieru w telegrafach. Zorze polarne widoczna były wówczas na całym świecie.
Inna znaną sprawą jest koincydencja pomiędzy brakiem aktywności Słońca, co zanotowano w 17 wieku i gwałtownym ochłodzeniem klimatu w tym okresie (minimum Maundera oraz tzw. mała epoka lodowcowa). Te i inne kwestie stały się pożywką dla fantastyki.
W 2007 roku w kinach pojawił się znakomity film W stronę Słońca, wyreżyserowany przez Danny Boyle’a, opowiadający o misji ratowania naszej planety poprzez dostarczenie do gasnącego Słońca jakiejś formy paliwa. Oczywiście wyżej przedstawione fizyczne dane dotyczące Słońca chyba potrafią przekonać, że pomysł jest głupi, ale sam film, gdy traktować go w warstwie wizualnej i psychologicznej zasługuje na uwagę.
Inna strategia wobec kłopotów ze Słońcem i jego funkcjonowaniem została zastosowana w historii opowiedzianej przez Liu Cixina najpierw w opowiadaniu Wędrująca Ziemia, które rozrosło się do powieści i ostatecznie zostało sfilmowane. Tu zmiany na Słońcu stały się pretekstem do zbudowania gigantycznych silników, które pozwalają odlecieć z Układu Słonecznego całej planecie.
W niedawno wydanej powieści Andy Weira (tego od Marsjanina), zatytułowanej Projekt Hail Mary, Słońce zmniejsza aktywność, ale ratunku dla zagrożonej Ziemi szuka wyprawa pośród gwiazd. Książka zawiera masę zwrotów akcji, sporo dywagacji naukowych i generalnie jest całkiem sprawnym czytadłem, który z braku lepszej pozycji przeczytać można. Istnieje też sporo pozycji katastroficznych czy post-apokaliptycznych, gdzie źródłem stanu naszej planety jest nadmiar Słonecznej energii. W filmowym hicie 2012 stworzonym w 2009 roku przez Roland Emmericha dziwne neutrina słoneczne destabilizują nasz glob, zaś w niedocenionych książkach Tadeusza Meszko (dylogia pod wspólnym tytułem 2012: gniew ojca), ukazuje wizje katastrofy wywołanej super erupcją słoneczną. Wspomniane już, rzeczywiste zdarzenia wywołane burzami magnetycznymi, określane są mianem Black outów. W 2009 roku powieść pod takim właśnie tytułem napisał Marc Elsberg. Szukając zaś motywu Słońca w klasyce SF możemy sięgnąć choćby po Słonecznego nurka Davida Brina.
Żałuję bardzo, że temat nie został wyczerpany. I nie chodzi mi o przytoczone tytuły, ale a listę gadżetów astrofizycznych, jakie pojawiają się rzadziej lub częściej w fantastyce naukowej. Można wymienić jeszcze różne galaktyki, w tym te aktywne, których jądra zwiemy czasami kwazarami; można zahaczyć o zachodzące w wielu miejscach Kosmosu zjawisko emisji maserowej, która jest tym samym co znane powszechnie lasery, lecz zachodzi samoistnie. Można wymieniać bardzo egzotyczne obiekty albo skupić się na Układzie Słonecznym i kolejnych planetach, planetoidach czy kometach, które bardzo licznie przewijały się przez karty powieści SF albo były obecne w filmach. Zostawmy to jednak na następny esej, który – mam nadzieję – będziecie mogli przeczytać w jednej z kolejnych publikacji.
Felieton ukazał się pierwotnie w „WIDOKu z Wysokiego Zamku”, nr 1/2 (91/92) 2022.
Pismo zostało wydane przez Białostocki Klub Fantastyki „Ubik”.
Leszek P. Błaszkiewicz
