Jak pożar Mannheim zrodził astrofizykę

Co może mieć wspólnego pożar miasta z chemią, fizyką i astronomią? Jak się okazuje, zawzięty naukowiec z każdego, nawet najbardziej dramatycznego wydarzenia, potrafi wyciągnąć użyteczne wnioski.

Chemicy-piromani

Rzecz miała miejsce pewnego letniego wieczoru roku 1859 w niemieckim Heidelbergu. Dwóch mężczyzn właśnie skończyło skończyło pracę i wracali do domów, przechadzając się urokliwą ścieżką, zwaną Drogą Filozofów, niedaleko rzeki Necker. Podczas spaceru dostrzegli na horyzoncie coś niepokojącego: wyglądało na to, że oddalony o niecałe 20 kilometrów Mannheim nawiedził ogromny pożar. Wielka tragedia, ale w głowach dwóch naukowców pojawiła się zupełnie inna myśl… Niemal natychmiast zawrócili do swojej pracowni, otworzyli okno i chwycili za, dopiero co skonstruowany przez nich, dziwaczny przyrząd. Wyglądał jak potrójna luneta, ale z przodu tuby widniała jedynie wąska szczelina, zdecydowanie uniemożliwiająca podziwianie panoramy sąsiedniej miejscowości. Jedyne co widział oglądający, to kolorowe paski. Linie światła podobne do tych, jakie otrzymujemy za pomocą pryzmatu.

Spektroskop Bunsena i Kirchhoffa
Spektroskop Bunsena
i Kirchhoffa.

Ci dwaj panowie to Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff, profesorowie pobliskiego uniwersytetu, już wtedy o wyrobionej renomie. Natomiast skonstruowane przez nich urządzenie, nosi obecnie nazwę spektroskopu. Nie był to tak naprawdę zupełnie nowy wynalazek, bo podobne efekty – rozbicie widma światła na barwne prążki poprzedzielane ciemnymi strukturami – osiągnął kilka dekad wcześniej Joseph von Fraunhofer. Jednak starszy kolega Bunsena i Kirchhoffa nie bardzo wiedział co linie Fraunhofera oznaczają i jak użyteczne mogą się okazać.

Linie Fraunhofera
Linie Fraunhofera.

Tymczasem dla Roberta Bunsena, linie Fraunhofera były niczym gwiazdka z nieba! Tak się bowiem złożyło, że już od jakiegoś czasu pracował on nad nowatorską koncepcją chemiczną, a spektroskop stanowił brakujący element.

Świetlny kod kreskowy

Jeżeli mieliście kiedykolwiek do czynienia z laboratorium chemicznym z prawdziwego zdarzenia, niewykluczone, iż natknęliście się na pewien typ palnika, zwany od nazwiska naszego bohatera, palnikiem Bunsena. To prosty patent, służący do kontrolowania dopływu gazów i otrzymania stosunkowo czystego płomienia. Niemiecki badacz wykoncypował sobie, że skoro różne spalane materiały dają inne barwy płomienia, to przy odrobinie przejrzystości, można na tej podstawie bardzo dokładnie określać skład chemiczny każdej substancji. I rzeczywiście tak było. Związki sodu nadawały ogniu kolor żółty, baru jasnozielony, litu różowy, miedzi niebiesko-zielony, wapnia pomarańczowy i tak dalej. Obecnie wiemy, że fakt ten tłumaczy fizyka atomu. W podgrzanych pierwiastkach, pod wpływem zastrzyku energii elektrony wskakują na wyższą powłokę, a wracając do stanu podstawowego wyrzucają foton o określonej energii. Każdy pierwiastek zachowuje się w sposób charakterystyczny, a emitowane przez niego światło stanowi swoisty kod kreskowy.

Pierwiastki w sposób charakterystyczny barwią płomień.

Widząc zabawy z paleniem różnych rzeczy, Gustav Kirchhoff zaproponował przyjacielowi aby pomyślał nad ulepszeniem swojego pomysłu. Oglądanie płomieni może i wydawało się wartościowe, ale lepsze efekty można było osiągnąć po naprawdę dogłębnej analizie emitowanego światła. W ten sposób uczeni postanowili połączyć nową metodę chemiczną z liniami Fraunhofera. Używając skonstruowanego spektroskopu do obserwacji odległego pożaru, dokonali generalnej próby dla swoich dociekań. Dostrzeżone przez nich czerwone i zielone prążki, sugerowały obecność w palenisku sporych ilości baru i strontu. I rzeczywiście, substancje te były obecne w zniszczonych magazynach z Mannheim.

Porwać się ze spektroskopem na Słońce

Chemicy przybili sobie piątkę, ale rozgorączkowani jeszcze długo nie mogli przestać dyskutować o swoim osiągnięciu. Podczas kolejnej przechadzki nad Neckerem, Bunsen rzucił niespodziewanym pomysłem: “Skoro możemy odczytać rodzaj substancji płonących w Mannheim, to dlaczego nie moglibyśmy zrobić czegoś podobnego w odniesieniu do Słońca”? Kirchhoff zaaprobował wyzwanie, dodając jednak, że “chyba zwariowali”. Istotnie, próba gruntownej analizy chemicznej obiektu oddalonego o 150 milionów kilometrów, mogła wydać się wielu współczesnym, aż nazbyt śmiała.

Gustaw Kirchhoff i Robert Bunsen
Kirchhoff (po lewej)
i Bunsen.

Jak zapowiedzieli, tak zrobili. Zwrócili się ku Słońcu wyłapując upragnione ślady widma – ale czekało ich zaskoczenie. Chemicy dostrzegli, że ciemne “przerwy” między prążkami Fraunhofera są jak gdyby poprzesuwane w stosunku do tych, obserwowanych na Ziemi. Kirchhoff szybko wydedukował, iż światło docierające do spektroskopu nie było do końca miarodajne. Widmo z wewnętrznych warstw gwiazdy musiało przedrzeć się przez chłodniejszą powierzchnię, absorbującą część promieniowania i deformującą wyniki. Dopiero kolejni badacze, jak Joseph Lockyer i Johannes Rydberg usprawnili metodę Niemców, dokonując analizy światła pochodzącego z samej korony słonecznej.

Nie zmienia to faktu, że fundamenty pod spektroskopię astronomiczną wylali Robert Bunsen i Gustav Kirchhoff. Ich przewidywania były słuszne, a przedsięwzięcie odważne – zabrakło jedynie kropki nad “i”. Dlatego moment ogłoszenia ich hipotezy w 1859 roku, często uważa się za początek nowej dziedziny nauki. Astrofizyki.

Literatura uzupełniająca:
J. Gribbin, Prawda ostateczna. Jak odkryliśmy narodziny wszechświata, przeł. T. Krzysztoń, Warszawa 2016;
B. Janus, Laboratorium w szufladzie. Fizyka, Warszawa 2016;
J. Linksy, Physics of Solar and Stellar Coronae: G.S. Vaiana Memorial Symposium, Londyn 1992;
W. Gratzer, Eurekas and Euphorias: The Oxford Book of Scientific Anecdotes, Oxford 2002;
B. Nath, The Story of Helium and the Birth of Astrophysics, Nowy Jork 2012.
Jak zmierzyć planetę? Mrówcza teoria wszystkiego Kobiety w naukach ścisłych – polemika ze Smoluchowskim