Barevné kovy

pátek 7. březen 2014 12:45

Albireo
Hunter Wilson (Wikimedia Commons)

aneb Astronomie v Nerudově poezii XIX. Stále se ještě nacházíme ve 22. písni kosmické, jež je z astronomického hlediska v celé sbírce nejvydatnější. Tentokrát přijde řeč na barvy a chemické složení hvězd.

XXII.

O hvězdách potom podotknul,
po nebi co jich všude,
skoro že samá slunce jsou,
zelené, modré, rudé.
Vezmemli pak pod spektroskop
paprslek jejich světla,
že v něm naleznem kovy tyž,
z nichž se i Země spletla.

Hvězdy jsou opravdu barevné. I když ty odstíny jejich světla nejsou nijak zvlášť syté, je na některých hvězdách poznat, že jejich světlo není bílé. Třeba jasná hvězda Aldebaran ze souhvězdí Býka je viditelně oranžová, hvězda Antares ze Štíra je pak doslova rudá. Rudá jako Mars. Však také její jméno vzniklo podle Marsu. K pochopení je třeba vědět, že předobrazem starověkého římského boha války byl řecký Áres. Konstrukce Áres – Antares podle vzoru Arktida – Antarktida je pak každému zřejmá. Zimní hvězdy Rigel a Sírius či letní Vega jsou očividně trochu do modra. V dalekohledu, díky tomu, že zesiluje světlo, jsou barvy hvězd ještě nápadnější. Albireo ze souhvězdí Labutě vidíme očima jako jednu hvězdu, ale v dalekohledu zjistíme, že jsou to dvě hvězdičky těsně vedle sebe, a že jedna je modrá či modrozelená a druhá žlutooranžová.

Čím jsou ty barevné rozdíly způsobeny? Většinu lidí jako první řešení napadne, že by to mohlo být odlišným chemickým složením. Podívejme se tedy, jaké chemické prvky ve hvězdě najdeme. Jako nejbližší vzorek vezměme naše Slunce. Ve Slunci je vodík, hélium, kyslík, dusík, uhlík, křemík, draslík, železo, zlato, uran… Nebudu čtenáře dále napínat, je tam kompletní periodická soustava prvků.

Jenže ze ¾ tvoří Slunce vodík a z ¼ hélium. Tento poměr se týká hmotnosti, takže vzhledem k téměř čtyřnásobné hmotnosti jader hélia vůči jádrům vodíku, je co do počtu kusů, dominance vodíku ještě větší. Důležitější je ale skutečnost, že na ostatní prvky v těch poměrech vodíku a hélia nezbylo vůbec nic.

Tady musíme být detailisté. Kyslíku je 8 promile, uhlíku asi 3 promile, železa a neonu něco přes jedno promile, zastoupení dusíku a křemíku se k jednomu promile blíží a dalších prvků je ještě méně. Údaje se týkají fotosféry (viditelné vrstvy Slunce) a platí pro hmotnosti. Podobně jsou na tom i ostatní hvězdy. Zastoupením jednotlivých chemických prvků se mohou vzájemně lišit maximálně v tisícinách celkové hmotnosti. Rozdíly jsou tak malé, že by na pozorované barevné odstíny nestačily. Příčinu barevnosti hvězd tedy musíme hledat jinde.

Nejprve přiznejme, že astronomové považují všechny hvězdy za černé. Absolutně černé! Sousloví absolutně černé těleso je fyzikální terminus technicus. Označuje takové těleso, které úplně pohlcuje veškeré záření všech vlnových délek, jež na jeho povrch dopadá. Absolutně černé těleso je zároveň ideálním zářičem – zahřáto na nějakou teplotu vydává největší možné množství energie, je tedy nejefektivnější ve vydávání záření. Je to sice abstraktní konstrukce, kterou zavedl v 19. století německý fyzik Gustav Kirchhoff, ale chování hvězd se absolutně černému tělesu velmi blíží.

Hvězda Slunce má povrchovou teplotu přibližně 5500 °C (5778 kelvinů). Vydává záření v celém spektru vlnových délek, ale maximum najdeme okolo vlnové délky 500 nm. Nenechme se zmást tím, že je to žlutozelená barva. Když se sečtou všechny barvy, které Slunce vysílá ve viditelném oboru, jeho světlo je bílé. Hvězdy, které mají vyšší teplotu, mají maximum energetických výdajů na vyšších frekvencích, tedy kratších vlnových délkách. Naše oči vyladěné na sluneční světlo je pak vnímají trochu víc modře. Naopak méně žhavé hvězdy mají maximum v delších vlnových délkách a jeví se nám červené. Za objev tohoto jevu a s tím souvisejících zákonitostí byl Wilhelm Wien (celým jménem Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz) v roce 1911 odměněn Nobelovou cenou za fyziku.

Wienův zákon

Většina hvězd, které na obloze vidíme, se vejde do rozpětí 3000 až 50000 kelvinů. Odlišné barvy některých z nich jsou způsobeny právě rozdíly v povrchové teplotě -  barvách se tedy Neruda nemýlil. Ale jak to myslel s těmi kovy?

Jsou jedinci, kteří se o očích vyjadřují jako o světlech, krvi říkají barva, jelenímu čumáku větrník a když to ubohé zvíře močí, tvrdí o něm, že ždímá rez. Také astronomové mají své roztomilé úchylky. Ti, kteří se zabývají hvězdami, například všem chemickým prvkům těžším než hélium říkají kovy! Není divu, že to básníka zaujalo. A ani v tom, že se ze stejných kovů spletla Země, se Jan Neruda nespletl.  Jak jsme popsali v kapitole Laplaceova hypotéza, planety se vytvořily ze stejného materiálu jako Slunce – z toho, který hvězda při svém vzniku nestihla spotřebovat. Nepřekvapí tedy, že mají podobné chemické složení.

Současná teorie vzniku planet v Nerudově době ještě neplatila, ale spektroskopie, jako praktická metoda určování chemického složení na světě byla necelých 20 roků. Kirchhoff a Bunsen přišli s prvním spektroskopem v roce 1860. V roce 1878, to tedy byla ta nejmodernější fyzika a špička vědeckého poznání. Slovo spektroskop možná četli někteří Nerudovi čtenáři poprvé v životě. Abstrakci hvězd jako absolutně černých těles zavedl Kirchhoff v roce 1862, Wienův zákon o posunu maxima vyzařování podle teploty spatřil světlo světa až v roce 1893.

Spektroskopie se stala základní metodou zkoumání vesmíru. Dnes je rozvinutá do nejmenších detailů. Podle tmavých (absorpčních) spektrálních čar určují astronomové chemické složení hvězdných obálek. Podle poměrného zastoupení chemických prvků těžších než hélium, tedy kovů, určují tak zvanou metalicitu hvězd a podle ní rozlišují hvězdy na tři populace. Hvězdy jsou podle spekter roztříděny do spektrálních tříd O B A F G K M a dalších podskupin.

Tady je například typické spektrum hvězdy třídy G – mnozí čtenři jistě poznávají Slunce (kredit NOAO):

Spektrum Slunce (NOAO)

 

A pro srovnání Arcturus – nápadně oranžová nejjasnější hvězda jarní oblohy spektrální třídy K (kredit NOAO):

Spektrum Arctura (NOAO)

Díky spektru poznáme také to, je-li hvězda mladice, či chystá-li závěrečný ohňostroj, ve spektru odhalíme magnetické pole i pulsování hvězdy.

Spektrální čáry nám dovolují analyzovat nejen hvězdy, ale i planety, komety či meteory. I přímá analýza vzorků v laboratořích probíhá nejčastěji spektroskopicky. Díky spektroskopii odhalujeme také planety mimo Sluneční soustavu a možná není daleko doba, kdy na některé z nich spektroskopem objevíme známky života. Ani na to Jan Neruda ve 22. písni kosmické nezapomněl. Budeme se tomu věnovat v příští kapitole.

Jan Veselý

Jan Veselý

Jan Veselý

Jako správný bloger píšu o čemkoli, čemu nerozumím. Nerozumím ničemu (to mělo být něco jako „Vím, že nic nevím“, ale nečekám, že mi to spolknete). Z grafomana, který strašně nerad píše, se ze mě díky blogu stal grafoman, který by hrozně rád psal pořád, jen na to nemá čas.

Zabývám se popularizací astronomie a příbuzných věd v instituci zvané Hvězdárna a planetárium v Hradci Králové, takže jsem vlastně učitel bez povinnosti zkoušet, známkovat a udržovat kázeň. Kromě fyzikálního pohledu na svět mě zajímá hlasitá hudba (od pankáčů po Šostakoviče), divadlo, opera, výtvarné umění a čím dál víc i historie.

REPUTACE AUTORA:
8,90