Češi zrekonstruovali slavný záběr Einsteinova zatmění Slunce

  6:00
Čeští vědci omladili, vylepšili a obarvili jeden z nejslavnějších snímků v historii fyziky. Originál z roku 1919 byl prvním praktickým důkazem Einsteinovy obecné teorie relativity.

Rekonstruovaný snímek úplného zatmění Slunce 29. května 1919 | foto: ESO/Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl/F. W. Dyson, A. S. Eddington, & C. Davidson, P. Horálek/Fyzikální ústav v Opavě, M. Druckmüller/Vysoké učení technické v Brně

Pro Velikonoční pondělí 2021 si Asociace univerzit pro výzkum vesmíru NASA jako Geovědecký snímek dne vybrala tematicky jednu „zmrtvýchvstalou“ fotografii. Původně vznikla před necelými 102 lety, nyní ji čeští vědci oživili v barvách a předtím neviděných detailech.

Geovědecký snímek Asociace univerzit pro výzkum vesmíru NASA 

Zkráceně EPOD, je uznávané ocenění nejzajímavější astronomické, atmosférické či geologické fotografie dne. Vybírá je James Foster, emeritní vědecký pracovník na Goddardově vesmírném centru NASA.

EPOD vznikl v roce 1999 jako samostatná „větev“ prestižního Astronomického snímku dne NASA. Oproti němu je ovšem více geovědecky zaměřený. Mimo astronomické snímky jsou zde publikovány i ty geologické, meteorologické, chemické nebo atmosférické.

Snímek vznikl během výpravy Královské greenwichské observatoře, která měla hlavní úkol: pořídit co nejlepší snímek zatmění Slunce. Tak dobrý, aby na něm bylo vidět, nakolik gravitace naší hvězdy ohýbá světlo hvězd v jejím okolí. Úkolem expedice bylo ověřit, že gravitace Slunce ohýbá světlo v takové míře, jako předpovídala dnes slavná, v té době jen pár let stará obecná teorie relativity.

Postupný pokrok

Einstein svou obecnou teorii relativity tvořil a postupně upravoval několik let. V prosinci 1915 o sobě měl poznamenat ve třetí osobě: „Ten Einstein dělá, co se mu zlíbí. S novým rokem odvolá to, co napsal v roce předchozím.“ Ale v té době už se slavný fyzik dopracoval ke skutečně správné podobě svých rovnic gravitačního pole. Musel o jejich správnosti  ovšem přesvědčit zbytek světa.

Některé kolegy se mu podařilo přesvědčit poměrně rychle, ale matematika za jeho objevem byla složitá a nebyla přístupná ani řadě fyziků, natož laické veřejnosti. Srozumitelnějším důkazem by bylo měření praktických dopadů nového pojetí gravitace v praxi.

Poprvé se to podařilo díky planetě Merkur. Jak si všimli astronomové i bez Einsteinova postrčení, její dráha tak úplně neodpovídá tomu, co předpovídá klasická newtonovská teorie. (Merkur tak trochu „tancuje“ kolem Slunce, protože se postupně posouvá bod, ve kterém je nejblíže Slunci. A posun, tzv. stáčení perihelia, je o něco málo větší, než říká pan Newton). 

Rozdíl je to malinký a odborníci pro něj postupně nabízeli celou řadu vysvětlení. Například, že planeta by mohla mít nějaký měsíc, nebo mezi Merkurem a Sluncem by mohla být ještě nějaká malá, neznámá planeta. Už se pro ni našel i vhodný název, Vulkán, podle římského boha ohně, samotnou planetu se ovšem nikdy nepodařilo najít. Posun ovšem s velkou mírou přesnosti vysvětlovaly Einsteinovy rovnice.

To byl první doklad správnosti obecné teorie relativity, který Einsteionovi osobně velmi pomohl. Ale do povědomí veřejnosti se zapsala především nyní oživená fotografie zatmění z roku 1919.

Obvykle neviditelné

Co na ní vidíme? Snímek zachycuje Slunce ve chvíli, kdy je téměř celý kotouč zakryt Měsícem. Díky tomu je vidět sluneční korona – rozevlátá plazmová obálka Slunce tvarovaná jeho magnetickým polem.

Korona je dosti „košatá“, protože zatmění proběhlo v době, kdy Slunce bylo poměrně aktivní. Fotografie vznikla zhruba dva roky po maximu slunečního cyklu číslo 15. Na snímku lze vidět četné magnetické smyčky, rozeznat jdou i sluneční magnetické póly (vlevo nahoře, vpravo dole).

Zajímavá, byť ne z hlediska teorie relativity, je protuberance na snímku v pravé horní části snímku. Protuberance je oblak chladnějšího plazmatu vznášejícího se nad slunečním povrchem, nejde o nijak vzácný jev. Ale vyfotit ho během úplného zatmění Slunce už vzácnost je. A zároveň jde o o největší protuberanci, která kdy byla během slunečního zatmění fotograficky zachycena.

Vraťme se však k fyzice. Autory snímku zajímaly především na snímku poměrně špatně a slabě viditelné tečky vpravo dole, což jsou dvě hvězdy patřící do souhvězdí Býka. Díky zatmění jsou hvězdy dostatečně jasné na to, aby se daly vyfotografovat, i když leží tak blízko slunečního kotouče. (My jsme vám je na výše uvedeném snímku vyznačili červenými kroužky, jde konkrétně o hvězdy s katalogovým číslem 65 Tauri a 67 Tauri.)

Rekonstruovaný snímek úplného zatmění Slunce 29. května 1919 s vyznačenými dvěma hvězdami ze souhvězdí Býka. Na jejich obraze se zkoumal vliv gravitace na světlo, a zda Einsteinovy rovnice správně předpovídají míru tohoto posunu.

Astronomové tak získali možnost porovnat polohu těchto hvězd na obloze během zatmění s jejich polohou v době, kdy se Slunce v jejich blízkosti nevyskytuje (tj. v noci.) Ukázalo se, že obraz hvězd je skutečně o něco posunutý. 

Posun podle Einsteina

To samo o sobě nikdo nepovažoval za důkaz obecné teorie relativity. O tom, že gravitace (nejen) Slunce ohýbá světlo podle krátké zmínky v „Optice“, nepochyboval zřejmě ani Isaac Newton. A mysleli si to i další fyzici před Einsteinem. Nebyl důvod předpokládat, že by se hypotetické „částice světla“ měly chovat jinak než ostatní hmota. 

Například astronom Johann Georg von Soldner v roce 1801 na základě Newtonových zákonů a předpokladu, že světlo je rychle se pohybující částice, spočítal, že světlo vzdálené hvězdy by průlet kolem Slunce měl odklonit zhruba o 0,9 obloukové vteřiny. K velmi podobnému výsledku (0,87 obloukové vteřiny) došel Einstein ještě v roce 1911, kdy se jeho obecná teorie teprve rodila. 

Není známo, že by se v 19. století někdo pokoušel tento posun opravdu změřit. Zřejmě to bylo nad technické možnosti tehdejší astronomie. Ale ve 20. století se situace změnila. Teleskopy a další technika se zlepšila, zároveň začalo být čím dál jasnější, jak nedostatečné jsou mantinely newtonovské fyziky, tedy kolik věcí vysvětlit nedovede. 

Vliv gravitace na světlo jsme pozorovali od roku 1919 mnohokrát. Známým příkladem je efekt. tzv gravitační čočky, který zpopularizoval už ve 30. letech v časopise Scientific American astronom Henry Norris Russell. Jejím nejčastějším projevem je "zmnožení" obrazu - v tomto případě do čtyř dalších obrazů. Pro tuto konfiguraci se zase vžil výraz Einsteinův kříž.

O změření odchylky se pokusila v roce 1914 německo-americká expedice za zatměním na Krym. Ta ovšem měla nejprve smůlu na historické okolnosti: zatmění mělo být 21. srpna, 1. srpna však Rusko vyhlásilo válku Německu. Německá část expedice se tedy pozorování nemohla účastnit. Zbylým americkým astronomům nepřálo počasí.

Britové na dvou místech světa

Ale myšlenka to byla natolik dobrá, že si ji za svou vzala řada vědců. Dne 10. listopadu 1917 rozhodl britský Stálý výbor pro sluneční zatmění, že zorganizuje expedice do pásu dlouhého zatmění Slunce 29. května 1919.

Expedice byly dvě, koordinované Frankem W. Dysonem (1868-1939) a Arturem S. Eddingtonem (1882-1944). Jedna z nich – vedená Andrewem C. D. Crommelinem (1865-1939) – putovala do brazilského Sobralu. Eddington pak vedl expedici na Princův ostrov ve Guinejském zálivu, tedy u západních břehů Afriky.

Obě výpravy i přes určité potíže s počasím (a částečně i technikou) nakonec slavily triumf. Jejich snímky ukázaly mnohem větší posun zdánlivé polohy hvězd, než předpovídaly Newtonovy zákony.

Posun činil 1,2-2 obloukové vteřiny, nejpravděpodobněji přitom někde kolem 1,6 (autoři sami uváděli 1.61 ± 0,30 obloukové vteřiny). Druhá britská expedice z téhož roku, vedená Andrewem Crommelinem do Brazílie, naměřila podle moderní analýzy výsledků posun 1,98 ± 0,18 obloukové vteřiny.

Rozdíl proti newtonovské předpovědi je příliš veliký, než aby ho šlo jednoduše vysvětlit. Hodnoty ovšem velmi přesně odpovídaly Einsteinově předpovědi. Podle ní by posun měl činit 1,75 obloukové vteřiny.

Výsledky vyšly nejprve v odborném tisku (v tomto odkazu najdete Crommelinovu práci, práce „afrického“ týmu je dostupná na této stránce v PDF). Postupně obletěly celý svět a zajistily uznání jak členům expedice, tak samotnému Einsteinovi. Snímky pořízené během zatmění roku 1919 se zapsal do dějin 20. století.

Jak oživit fotografii

Originály snímků nečekal slavný osud. Originální desky ze zatmění v roce 1919 se ztratily. Existovaly naštěstí kopie, které byly rozeslány observatořím po světě, aby všichni vědci na vlastní oči viděli důkaz podporující teorii relativity.

Jedna taková kopie snímku pořízeného výpravou, která zatmění fotografovala z ostrova Sobral u brazilských břehů, se dostala také na observatoř Landessternwarte Heidelberg-Königstuhl, která ji nedávno digitalizovala v rámci projektu HDAP (Heidelberg Digitized Astronomical Plates).

Petr Horálek z Fyzikálního ústavu v Opavě ve spolupráci s Evropskou jižní observatoří získal digitalizovanou kopii původní desky v nejvyšší možné kvalitě. Už na první pohled mu bylo jasné, že kvalita snímku zdaleka nedosahuje současných možností. Sken byl poškrábaný a plný prachových částeček. A bylo z něj podle Horálka zřetelně vidět, že v době zatmění na Sobralu překážela oblačnost.

Měl Einstein pětku z matematiky?

Ne, odmaturoval s šestkami. Často opakovaný mýtus, že Albert Einstein měl propadat z matematiky a fyziky, je částečně nepochopení, částečně čirá fabulace.

Vědci se rozhodli snímek pomocí moderních postupů „vyčistit“ a upravit tak, aby vynikly skutečné struktury sluneční korony. Výsledek vylepšili pomocí programu NAFE Miloslava Druckmüllera z VUT v Brně, který je specialistou na astronomické snímkování a proslavil se například fotografie zatmění Slunce s vysokou mírou detailů.

Program umí zvýraznit i jemné detaily ve strukturách jinak spíše rozmazaných snímků, díky čemuž bylo možné získat ještě větší detaily ve sluneční koroně, ale hlavně v protuberanci, která se tehdy během zatmění ukázala. Nakonec ze známých barevných vlastností některých jevů na snímku dokázal Petr Horálek rekonstruovat barevnost celého obrázku.

Nejčtenější

Já ten model miluju, ale neříkejte to mé ženě. Příběh mého modelu Mirage

Soutěž

Některé z vás zastihla naše soutěž na dovolené. Stanislav Šnek nám poslal příběh, prošpikovaný smajlíky a odborným modelářským žargonem. Svůj model letounu Mirage 2000C vybavil tygří livrejí, protože...

Rusko otevřelo Pandořinu skříňku. Skynet z Terminátora je jen otázkou času

Premium

Umělá inteligence se v ovládání dronů na bojišti prosazuje pomaleji, než se předpokládalo. Člověk je zatím nepostradatelný. Určité úspěchy však AI přece jen má. A bude jich stále víc.

Slavná letecká show ukázala i zbraně pro současné a budoucí války

Na konci června proběhl na letišti Le Bourget nedaleko Paříže již 55. ročník leteckého veletrhu Paris Air Show. Nejstarší podobná akce na světě neukazuje jen leteckou techniku, ale i tu bojovou,...

Legendy československého letectví se v Roudnici sešly v hojném počtu

Poslední víkend v červnu se konal již 12. ročník Sletu československých letadel, tentokráte na letišti Aeroklubu Roudnice n. Labem. Jednalo se opět o velkou akci leteckých nadšenců z aeroklubů napříč...

Lipenka se při stavbě přehrady stala strategickou dopravní tepnou

Železniční trať Rybník - Lipno nad Vltavou nechali vystavět místní opat Bruno Pammer a továrník Arnošt Porák. Potřebovali ji k přepravě nákladů, kdy vyšebrodský klášter těžil dřevo ve svých lesích a...

Ve své době byl symbolem evropského letectví. Příběh mého modelu Mirage III

Soutěž

V tomto příspěvku do soutěže Příběh mého modelu budeme moct opět prozkoumat model letounu z dílny Dassault Aviation, a to konkrétně Mirage IIIe, který nám poslal Vlastimil Lukeš. Jak modelář sám...

9. července 2025

Bez těchto osmi webů a aplikací na dovolenou snad ani nejezděte

Notebook, tablet, chytrý telefon má u sebe skoro každý. Jak moc užitečné mu budou, záleží na tom, jak jej umí využít a jaké aplikace na něm používá. Vybrali jsme osm praktických, které vám zpříjemní...

9. července 2025

Legendy československého letectví se v Roudnici sešly v hojném počtu

Poslední víkend v červnu se konal již 12. ročník Sletu československých letadel, tentokráte na letišti Aeroklubu Roudnice n. Labem. Jednalo se opět o velkou akci leteckých nadšenců z aeroklubů napříč...

8. července 2025

Rusko otevřelo Pandořinu skříňku. Skynet z Terminátora je jen otázkou času

Premium

Umělá inteligence se v ovládání dronů na bojišti prosazuje pomaleji, než se předpokládalo. Člověk je zatím nepostradatelný. Určité úspěchy však AI přece jen má. A bude jich stále víc.

8. července 2025

Objev ze zemědělského muzea potrápil složitými koly. Bahno naopak pobavilo

Soutěž

Pozor na to, co potkáte na dovolené, mohou z toho být hodiny práce. Dokončit dělostřelecký tahač Pavesi modeláře Miloše Mohače nakonec trvalo několik let. Zvláštní kola dala zabrat a výroba bahna...

7. července 2025

Lipenka se při stavbě přehrady stala strategickou dopravní tepnou

Železniční trať Rybník - Lipno nad Vltavou nechali vystavět místní opat Bruno Pammer a továrník Arnošt Porák. Potřebovali ji k přepravě nákladů, kdy vyšebrodský klášter těžil dřevo ve svých lesích a...

7. července 2025

Mužům s rostoucím věkem mizí chromozom Y. Komu mizí rychleji, dříve zemře

Premium

Z mužských buněk ve vyšším věku mizí chromozomy Y. Genetici tento jev dlouho považovali jen za neškodnou technikálii, která není v ničem důležitá, v poslední době ale vychází najevo, že může...

6. července 2025

Léto s notebookem: co udělat, než zavřete kufr

Doba dovolených, prázdnin a odpočinku je tu. Někdo bude zcela offline, jiný vyrazí s notebookem v batohu pro případ nutné práce nebo z důvodu večerní zábavy. Ať už se jedná o „worksation“, kombinaci...

6. července 2025

Když dvě legendy ovládly oblohu. Příběh mého modelu P-51D Mustang

Soutěž

V příspěvku modeláře Karla Havlíčka do soutěže Příběh mého modelu tentokrát vystoupí dvojice modelů slavného stíhacího letounu P-51D Mustang, a to konkrétně stojů „Excalibur“ a „Little Rebel“. Tyto...

5. července 2025

Ahoj mami, mám problém... Česká aplikace rozpoznává podvodné zprávy

Podvodné zprávy, které se snaží z lidí vylákat peníze či přihlašovací údaje, se z e-mailů rozšířily do SMS, WhatsApp, nebo třeba Messengeru. Česká aplikace „AI Smishing Checker“ je pomocí umělé...

5. července 2025

Bolístky pod kontrolou: Vyhrajte dětské náplasti Cosmos s Prasátkem Peppou
Bolístky pod kontrolou: Vyhrajte dětské náplasti Cosmos s Prasátkem Peppou

I drobné odřeniny a škrábance mohou být pro děti velké drama. Zúčastněte se proto naší soutěže a vyhrajte limitovanou edici dětských náplastí...

Co dělat s elektronikou při blackoutu? Spotřebiče raději odpojte

Velké i malé výpadky proudu postihnou všechny přímo napájené spotřebiče a po nějaké době i ty, které využívají baterie nebo jsou napojeny na nějaký záložní systém. Televize, rádia, počítače,...

4. července 2025  15:36

V Česku se podařilo vyfotit objekt, který nevznikl v naší soustavě

Teprve potřetí se podařilo vědcům zachytit objekt, který vznikl mimo naší Sluneční soustavu. Interstelární objekt A11pl3Z se podařilo dokonce zachytit na observatoři v Ondřejově a také na Observatoři...

4. července 2025  11:51
Nastavte si velikost písma, podle vašich preferencí.