Jako w niebie, tak i na Ziemi: o odkryciu budowy chemicznej gwiazd i galaktyk

Podchodząc do sprawy czysto intuicyjnie, trudno jest zaprzeczyć, że ciała niebieskie wydają się mieć niewiele wspólnego z obiektami czy istotami znajdującymi się na powierzchni Ziemi. Nie zapominajmy, że nasi przodkowie, podobnie zresztą, jak my sami czynimy to intuicyjnie przez całe życie, oceniali otaczające nas obiekty ze względu na ich zgrubne, rzucające się w oczy właściwości zmysłowe. Obiekty oceniane są więc ze względu na swoją barwę i jasność, fakturę i miękkość, smak i zapach, a także zmienność w czasie czy sposób zachowania się. Oglądane z takiej perspektywy, gwiazdy i planety nie mają praktycznie nic wspólnego z jakimkolwiek obiektem znanym z Ziemi.

Nic więc dziwnego, że przez stulecia wielką popularnością cieszył się model Kosmosu, spopularyzowany przez cieszącego się olbrzymim szacunkiem Arystotelesa, zgodnie z którym Księżyc stanowił symboliczną granicę pomiędzy światem „ziemskim” a „niebiańskim”; precyzyjniej: „podksiężycowym” i „nadksiężycowym”. Światy te miałyby się składać z zupełnie innego typu substancji i podlegać innym prawom. Świat podksiężycowy wypełniony był powietrzem; świat nadksiężycowy – eterem. Obiekty świata podksiężycowego podlegają prawu grawitacji i spadają na powierzchnię Ziemi; obiekty świata nadksiężycowego krążą po idealnych krystalicznych orbitach, jako żywo nie spadając na Ziemię (z interesującym wyjątkiem, jaki stanowią „spadające gwiazdy”). Obiekty świata nadksiężycowego są niezmienne i doskonałe, a obiekty świata podksiężycowego – zmienne i niedoskonałe (choć i tu występuje subtelna gradacja, bo np. już Księżyc ma widoczne gołym okiem niedoskonałości, których próżno by już szukać w tzw. gwiazdach stałych).

Otrzeźwienie przyszło, jak to zwykle bywa, z całkowicie niespodziewanej strony. Przyniosły je bowiem badania światła.

Pryzmat i co z niego wyszło

Zjawisko rozszczepienia światła przez kawałek szkła jest znane od starożytności. Średniowieczni arabscy i europejscy naukowcy konstruowali coraz to bardziej staranne pryzmaty i soczewki, a do wielkich miłośników badań nad światłem należał m.in. Izaak Newton, określany czasem, być może nieco na wyrost, jako ojciec spektroskopii, czyli nauki o właściwościach światła, zwłaszcza w kontakcie z materią.

Pierwszą osobą, która odnotowała fakt „brakujących kolorów”, był William Wollaston, angielski chemik i fizyk, który w 1802 posłużył się udoskonaloną wersją pryzmatu Newtona, łącząc go z soczewką. Dzięki temu możliwe było jeszcze precyzyjniejsze przyjrzenie się poszczególnym długościom fali składającym się na „światło białe” Słońca. Wollaston zauważył, że w uzyskanej w ten sposób „tęczy” występują ciemniejsze smugi, które początkowo zinterpretował jako granice pomiędzy barwami. Rozdzielczość jego urządzenia nie pozwalała jednak na bliższą identyfikację tych zaciemnień.

Kluczowego kroku naprzód dokonał Johann von Fraunhofer, który w 1821 roku zamiast pryzmatu posłużył się siatką dyfrakcyjną – płaską płytką zawierającą szereg bardzo cienkich równoległych rys, szczelin lub kresek, powodujących „uginanie się” (dyfrakcję) promieni świetlnych. Fraunhofer był już w stanie dostrzec bardzo subtelne właściwości spektrum światła słonecznego, a na jego cześć występujące w tym spektrum ciemne pasma określa się jako linie Fraunhofera. Sam ich odkrywca zidentyfikował 574 takie linie; dziś wiemy, że każdemu procesowi atomowemu z udziałem fotonów odpowiada określona długość fali, zaś ilość tych procesów jest potencjalnie nieskończona. W katalogach linii spektralnych znajdują się dziś miliony wpisów, a spektroskopia należy do podstawowych metod astronomii i chemii analitycznej – oraz wielu innych dziedzin naukowych.

Jak na dole, tak na górze

Linie Fraunhofera zostały szybko zidentyfikowane jako długości fali światła pochłanianego przez różnego rodzaju pierwiastki i związki chemiczne. Równoległe trwały badania światła emitowanego przy spalaniu najrozmaitszych materiałów występujących na Ziemi. Do wczesnych pionierów tych badań należeli Gustav Kirchoff i Robert Bunsen, którzy szczególnie starannie badali światło emitowane po wetknięciu w płomień próbek czystych pierwiastków: magnezu, glinu, sodu, baru… Tego typu żmudne i mało ekscytujące eksperymenty, które domagają się ciągłej najwyższej precyzji (próbka materiału musi być ultraczysta, nie wolno dopuścić do jej późniejszego zanieczyszczenia, długości fali i „siły” prążków muszą być odnotowywane wielokrotnie i z wielką precyzją…), są jednak solą nauki. Sam Bunsen szybko odkrył dwa pierwiastki – cez i rubid – a większość mieszkańców współczesnej tablicy Mendelejewa zostało zidentyfikowanych metodami spektroskopowymi.

Prawdziwa rewolucja w naszym myśleniu o świecie nastąpiła jednak wtedy, kiedy udało się powiązać ze sobą pierwiastki występujące na Ziemi z tymi, których ślady dało się dostrzec w widmie słonecznym. Nie jest to tak proste, jak by się mogło wydawać. Dwa główne składniki Słońca, wodór i hel, nie występują powszechnie na powierzchni Ziemi, a ten drugi jest ponadto mało reaktywny i został odkryty znacznie później niż wodór. To jednak hel dostarczył naukowcom niepodważalnego dowodu, że Słońce zbudowane jest z materii występującej tu, na Ziemi. Jego pierwsza obserwacja nastąpiła 18 sierpnia 1868 roku, kiedy to francuski astronom Jules Janssen odnotował obecność nieznanej wcześniej linii spektroskopowej w widmie zewnętrznej atmosfery Słońca w czasie jego zaćmienia. W następnych latach odkryto kilka innych linii uznawanych obecnie za produkowane przez hel. Dopiero w 1881 roku udało się wykryć jedną z nich w materiale ziemskim; dokonał tego włoski fizyk Luigi Palmieri, badając materiał wyemitowany przy okazji erupcji Wezuwiusza. Szkocki chemik William Ramsay wyizolował ostatecznie czysty hel z uraninitu – rzadkiego minerału zawierającego, obok uranu, również duże domieszki innych pierwiastków, w tym czasem również gazów szlachetnych.

Dziś szczególnie wielkie wrażenie robi moc spektroskopii w zastosowaniu do analizy związków chemicznych. Naukowców czekał bowiem drugi szok: o ile przyzwyczaili się już do tego, że materia kosmiczna zbudowana jest z tych samych pierwiastków, co materia ziemska, jeszcze w latach 60. XX wieku istniały poważne wątpliwości, czy w przestrzeni kosmicznej mogą istnieć złożone związki chemiczne. W 1969 roku w gazie galaktycznym został jednak wykryty formaldehyd, a w 2009 roku pierwszy aminokwas – glicyna (choć istnieją pewne kontrowersje związane z tym odkryciem) – potwierdzając tym samym, że Ziemia i Kosmos są powiązane nie tylko pod względem obecności najzupełniej elementarnych cegiełek materii, jak atomy, lecz nawet dość złożonej chemii organicznej. Najnowszym kierunkiem badań, rozkwitającym dosłownie na naszych oczach, jest spektroskopowe badanie atmosfer egzoplanet, czyli planet krążących po innych niż nasz układach planetarnych. W ten sposób z Kosmosu schodzimy ponownie na Ziemię, przy czym tym razem są to już liczne, ewoluujące niezależnie od siebie ziemie. W najbliższych dekadach stanie się więc w końcu możliwe precyzyjne zrozumienie, w jakim stopniu Ziemia jest więc obiektem wyjątkowym ze względu na występującą na jej powierzchni różnorodność struktur i zjawisk chemicznych.

Łukasz Lamża