Zakaj astronomija - in zakaj tudi v šoli? (X) Sonce in Luna sta vredna vse pozornosti, vesolje kot pospeševalnik osnovnih (kozmičnih) delcev, uporabimo horoskop v prid astronomiji, poleti v vesolje, popularna glasba in prispevek Slovencev

Tudi vprašanje, zakaj iz Zemlje ne vidimo kraterja posvečenega Jožefu Stefanu, je lahko za učence zanimiv uvod v dinamiko Lune, posredno tudi plimovanja, ...

Sonce in Luna sta vredna vse pozornosti
V okviru razlage zvezd, se nujno opravijo opazovanja Sonca skozi H-alfa teleskop (oceni se velikosti izbruhov, lahko tudi hitrosti izmeta koronarne mase), potem opazovanja skozi navaden filter (štetje peg ...), obvezno se opazuje Fraunhoferjeve absorpcijske črte in iz spektra določi posamezne elemente, preko zaporednega opazovanja peg (no, ob minimumu aktivnosti jih zmanjka), se oceni periodo rotacije Sonca ... Obvezno preko štetja peg in skupin določimo ( izračunamo: R = k(10g + s) ) tudi Wolfovo število.
Koliko časa posvetiti Soncu? Najbrž zelo veliko! O Soncu bomo povedali še kaj več med obravnavo fuzije (nukleosinteze). Sonce je nam najbližja zvezda, ki ji dolgujemo praktično vse, kar vemo o zvezdah, in da sploh smo. Pri opazovanju Sonca odpadejo tudi logistične težave, ki se lahko pojavijo pri opazovanjih nočnega neba (tudi če je delno oblačno ali je na nebu rahla koprena, je Sonce še zmeraj imenitna tarča naših opazovanj). Podobno velja za Luno; morebiti sta Sonce in Luna najbolj primerni učili na nebu, kjer se nam po dveh opazovanjih zdi, da zmeraj vidimo enako podobo, a po nekaj vajah, opazovanjih, se priučimo veščin zaznavanja zmeraj novih oblik in vzorcev, se naučimo razlikovanja, opazimo dinamiko, smo zmeraj manj površni (ta nerodna »veščina« površnosti, je zmeraj bolj škodljiva za modernega človeka), ... Že, če bodo mladi prepoznali na Luni nekaj morij, kraterjev, sploh če bodo znali sami poiskati krater Vega (poimenovan na čast slo. matematiku J. Vegi), oceniti premere in globine kraterjev, višine gora, je to več kot smemo pričakovati v skromnem naboru šolskih ur. Tudi vprašanje, zakaj iz Zemlje ne vidimo kraterja posvečenega Jožefu Stefanu, je lahko za učence zanimiv uvod v dinamiko Lune, posredno tudi plimovanja, ...

Zanimiva je tudi prispodoba o resnici in Soncu, ki jo je podal pisatelj Victor-Marie Hugo (1802 – 1885), takole pravi: "Resnica je kot Sonce. Zaradi nje vse vidimo, ne moremo pa je direktno gledati." Sonce nas torej oslepi, a daje nam vse relevantno in resnično.
Res lepa prispodoba, ki na nadvse slikovit način povezuje znanost in literaturo, duhovni svet ter nakazuje, da so znanost humanizem, duhovni svet in svet čustev v bistvu tam nekje globoko v temeljih ena resnica - resnica in logika vesolja. Tudi ta vidik, je poslanstvo astronomije v šolah.

Vesolje kot pospeševalnik osnovnih (kozmičnih) delcev
Kozmični delci – kaj povedati o njih. Viri teh žarkov segajo od energijskih procesov na in v Soncu in vse do še vedno neznanih pojavov v najbolj oddaljenih predelih zaznavnega vesolja. Pri zvezdah govorimo o temperaturah vsaj nekaj milijonov K (hitrost plazme je direktno povezana s temperaturo, velja mv² ∝ k_BT in te hitrosti, kinetična energija delcev, velikokrat »premaga« potencialno energijo gravitacije zvezd), tukaj je še Stefanovo toplotno sevanje, seveda govorimo tudi o fuziji in stranskih produktih, razpadu – radioaktivnosti težkih atomov, prisotna so izjemno močna magnetna polja, posledično lahko govorimo o izmetu materije iz zunanjih plasti zvezd, o trkih zvezd, eksplozijah nov, supernov, akrecijskih diskih snovi ob kompaktnih zvezdah z visokimi magnetnimi polji (bele pritlikavke, nevtronske zvezde - pulzarji, črne luknje, kvazarji [quasar - QUASi-stellAR radio source] - zelo oddaljene supermasivne črne luknje galaksij, ki oddajajo nekaj stokrat več energije od navadnih galaksij, iz akrecijskega diska ob centralni črni luknji, curkov materije ...) ... Vse našteto in še kaj, so generatorji kozmičnih delcev in fotonov zelo visokih energij (vseh valovnih dolžin, tudi UV-svetloba, posebej so nevarni gama žarki (γ) - znani so občasni izbruhi), nekateri delci (poleg fotonov) se zelo približajo hitrosti svetlobe. Ko vstopijo v zemeljsko atmosfero, kozmični delci trčijo z molekulami, večinoma dušikom in kisikom, kar ustvarja slapove (tuš) manjših delcev, ki jim pravimo tudi plohe osnovnih delcev.

Energije kozmičnih delcev dosegajo vrednosti do 3 10²⁰ eV, veliko več od pospeševalnikov 10¹² ali 10¹³ eV. To je torej približno 40 milijonov krat več energije kot je pri pospeševanju delcev lahko doseže Veliki hadronski trkalnik (LHC - CERN). Kozmične delce sestavljajo protoni (vodika je največ v vesolju), potem helijeva jedra (delci α ) in približno 1 % elektroni (delci ß^-) in še mnogi ostali delci, seveda tudi elektromagnetno valovanje različnih valovnih dolžin - energij. Najbolje je, če mladim kozmične delce kar pokažemo; kako, kje (ogled preko iskrne komore) – o tem bo morebiti tekla debata v nadaljevanju, ko bomo namenili tudi nekaj besed osnovnim delcem, ekskurzijam ...

Meritve!
Augerjev projekt detekcije kozmičnih delcev se izvaja na območju argentinskih pamp pod vodstvom mednarodnega konzorcija fizikov (kar 500 fizikov, tudi Slovenija sodeluje). Ker pa imajo visokoenergijski delci (nad 10¹⁸ eV) ocenjeno stopnjo prihoda le 1 na km² na stoletje, je Augerjev observatorij zavzel območje zaznavanja kar 3000 km² – to je celo nekaj več od velikosti Luksemburga (ali polovica naše Štajerske), da bi tako lahko zabeležili čim več takih dogodkov. Nahaja se v zahodni provinci Mendoza v Argentini, blizu Andov. Detektorji so različni, večinoma sta to - vodni bazeni za Čerenkovo sevanje in potem »Fly's eye« detektorji (v obliki mreže receptorjev mušjega očesa), to je mreža optičnih teleskopov, ogledal, s kamerami z velikimi svetlobnimi elementi (fotopomnoževalkami porazdeljenimi v obliki receptorjev oči muh) za detekcijo bliskov ultravijolične svetlobe, zaznajo (bi naj) UV svetlobo ki nastane, ko kozmični žarek trči z molekulo v zemeljski atmosferi in ustvarja ploho (tuš) sekundarnih delcev (zaenkrat še niso šli čez teoretično energijsko limito GZK blizu 10²⁰ eV). Meja energije se imenuje po Greisen – Zatsepin – Kuzmin (meja GZK) - je teoretična zgornja limita energije protonov kozmičnih žarkov, ki potujejo iz drugih galaksij skozi medgalaktični medij do naše galaksije. Omejitev je 5×10¹⁹ eV (energija protona, ki potuje s hitrostjo 99,99999999999999999998% svetlobe). Vrednost je določena z upočasnjevanjem protonov zaradi interakcij le teh z mikrovalovnim sevanjem ozadja CMB (z ostanki fotonov iz časov velikega poka - iz začetkov vesolja, velja:
γ_CMB + p → Δ⁺ → p + π^o do 5×10¹⁹ eV)
na velike razdalje (≈160 milijonov svetlobnih let). Cilj projekta je raziskati značilnosti in vstopne smeri najbolj energijskih primarnih kozmičnih delcev, žarkov. Izsledki bi naj imeli pomembne posledice na fiziko osnovnih delcev in kozmologijo. Zakaj? Zaradi teoretične omejitve, že omenjene Greisen – Zatsepin – Kuzmin (GZK) limite energije kozmičnih delcev na okrog 10²⁰ eV, viri pa so torej galaksije iz naše okolice.
Observatorij Pierre Auger se tudi sproti nadgrajuje, da bi tako lahko poiskali izvore tudi najbolj energijskih kozmičnih delcev. Že novembra 2007 so objavili rezultate preliminarnih meritev za 27 dogodkov, smeri virov z največjimi energijami. Viri so pričakovano v tesni povezavi z legami aktivnih galaktičnih jeder iz okolice, kjer naj bi protone pospeševala močna magnetna polja, povezana z velikimi črnimi luknjami (blizu središč) do energij 10²⁰ eV in čez. Življenje in tudi elektroniko na Zemlji bistveno ščiti pred sevanjem iz vesolja najprej magnetno polje samega planeta in nato še seveda nepogrešljiva atmosfera (ki jo še prej ščiti pred hitrimi nabitimi delci že omenjeno magnetno polje – brez magnetnega polja bi se atmosfera zelo razredčila in življenje bi težko obstalo ali se celo ne bi razvilo do visoko razvitih oblik).

Primarni kozmični delci trčijo z molekulami atmosfere (slika levo, trk s protonom p, na višini 35 km) in ustvarjajo roje osnovnih in sestavljenih delcev, antidelcev, kot v pospeševalnikih (protoni – p, nevtroni - n, mioni - μ, pioni - π, elektroni – e, nevtrini - ν, delta barion – Δ, fotoni - γ ...). Mnoge zelo hitre delce (recimo elektrone) lahko ujamemo v vodi preko Čerenkovega učinka (v dielektriku, rec. v vodi, je lahko nabit delec, elektron, recimo hitrejši od fazne hitrosti svetlobe, nekateri pri tem radi potegnejo analogijo z Machovim stožcem pri preboju hitrosti zvoka) – v vodi se pojavi sevanje, kjer delci oddajajo vidno modro svetlobo. Življenjska doba zelo hitrih mionov (μ), ki nastanejo zaradi trčenja kozmičnih delcev z molekulami v zgornji atmosferi, je tudi daljša od življenjske dobe počasi premikajočih se mionov (razpolovni čas mionov ustvarjenih in razpadajočih v laboratoriju je 2,2 µs). To je hkrati potrditev teorije relativnosti – dilatacije (podaljšanja) časa - zaradi velike hitrosti in pospešenega gibanja mionov (μ). Če bi se razpad zgodil v 2,2 µs, bi polovica mionov prepotovala samo okrog 456 metrov poti in ne bi dosegli površine Zemlje – zaradi efekta podaljšanja časa, pa veliko mionov prispe do tal, tudi globoko pod površino. Razpad negativnega miona ima naslednje produkte - nosilec razpadne šibke sile je W^- bozon (glejte sliko):
µ^- → e^- + ν_e + ν_µ

Veliko osnovnih delcev smo tako odkrili v vesolju (preko kozmičnih delcev, sevanj), celo sam atom helija smo prej odkrili na Soncu (v spektru) kot na Zemlji (nekaj več podatkov o osnovnih delcih sledi v nadaljevanju).


Ilustracija kozmičnih žarkov, ki udarjajo v Zemljino atmosfero, kjer proizvajajo ploho delcev. Z izgradnjo velikih zemeljskih mrež detektorjev je mogoče pogosto rekonstruirati prvotno energijo in naboj prihajajočega kozmičnega žarka, pri čemer prednjačijo observatoriji, kot je recimo Pierre Auger.
Vir: https://medium.com/starts-with-a-bang/why-the-cosmic-speed-limit-is-below-the-speed-of-light-713ba7e03d83


Ilustracija dogodka plohe sekundarnih delcev in niz detektorjev Čerenkovega sevanja (posod z vodo) v Augerju.
Vir: https://physics.aps.org/articles/v12/137


Detektorji velikega observatorija za detekcijo kozmičnih delcev Pierre Auger so velikanske posode napolnjenje z vodo. V njih sekundarni delci sprožijo reakcije, ki jih zaznavajo fotoobčutljivi detektorji.
Vir: https://www.ung.si/old/en/research/cac/Research/projects/auger/

Ali horoskop uporabiti v prid astronomiji ali se z macolo spraviti nanj?
Ali v razredu pred mladimi vehementno udrihati po horoskopih (in si tako prislužiti še kak neprijeten pogled mlade dame) ali uporabiti to kulturno privzgojeno potrošniško »nerodnost« za razlago pomena zodiakalnih ozvezdij, čez katera navidezno potujejo planeti, Luna, Sonce in mladim, recimo preko Stellariuma, pokazati v kaki zmoti živijo, če ne že zaradi drugega, pa zaradi banalnega dejstva, da v resnici upoštevajo napačna znamenja ... To izjemno zmoto lahko uporabimo v prid razlagi precesije Zemlje in s tem pojasnimo premik pomladišča, jesenišča. O tej temi smo več povedali v članku III: Ekvatorski koordinatni sistem, nebesna krogla, zodiakalna ozvezdja - od horoskopa do precesije .

Poleti v vesolje, popularna glasba in prispevek Slovencev
Pri projektu Voyager je imel veliko vlogo tudi naš rojak dr. Anton Mavretič 1934 - 2019 (NASA). Vodil je ekipo, ki je izdelala senzor Sončevega vetra, kateri je določil, kdaj je sonda dosegla rob vpliva Sonca (rob heliosfere - ko tok Sončevega vetra postane manjši od toka medzvezdnih delcev). Dr. Anton je bil izjemen strokovnjak, seveda tudi celotna ekipa, saj je naredila sondo in inštrument, ki deluje desetletja v hladu vesoljske praznine.
Sondi Voyager 1 in 2 sta s seboj ponesli tudi podatke o človeški civilizaciji. Ti so shranjeni na pozlačeni bakreni gramofonski plošči (LP – zanimivo, kako zelo se je tehnologija zvočnega zapisa spremenila v pretečenem času – a narava zvoka ostaja večna), spravljeni v aluminijasto skrinjo, na kateri so vgravirana navodila za uporabo, priložena pa je še gramofonska igla. Plošča, ki nosi naslov Zvoki Zemlje (The Sounds Of Earth), vsebuje štiri tematske skupine podatkov, med katerimi so zvoki narave in živali, človeški govor (pozdravi v različnih jezikih) glasba (ljudske in umetne skladbe: Mozart, Blind Willie Johnson, Chuck Berry in Valya Balkanska) in tudi slike. V tem kontekstu ni odveč mlade opozoriti na šalo, ki kroži po spletu, da so se Nezemljani na Voyagerjev zvočni zapis odzvali le s štirimi besedami "pošljite več Chucka Berrya" ("Send more Chuck Berry"), Chuck Berry je eden od očetov rock & rolla, ki je v svojem res, za glasbenika, dolgem življenju (91 let) igral, nastopal, zabaval občinstvo praktično do konca, oziroma začetka poti v večnost 2017 (ko je že pozabljal besedila, kitarske akorde, rife).
Seveda, astronomija prežema vso našo kulturo in tudi kultura prežema astronomijo, sploh v Sloveniji se v tej smeri trudi kar nekaj umetnikov.

Se nadaljuje ...

Zorko Vičar
Korona pomlad 2021 (objavljeno maja 2022)

DODATEK