Středa 14. dubna 2021, svátek má Vincenc
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Středa 14. dubna 2021 Vincenc

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...

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. 

Gravitační čočky zpopularizoval už ve 30. letech v časopise Scientific American...

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.

Fagradalsfjall online

Sledujte živě aktivní sopku na Islandu. Erupce začala po týdnech otřesů 19. března a zláště pak v noci nabízí fascinující podívanou.

  • Nejčtenější

Jak často se nakazí již očkovaní? Důkladná studie dala skvělé výsledky

Americké středisko pro kontrolu nakažlivých nemocí (CDC) ve svém časopise vydalo průběžné výsledky studie, která je...

Fanoušek zřejmě vyfotil tajný dron, o kterém se pouze spekulovalo

O tajném projektu výškového stealth dronu Northrop Grumman RQ-180 se spekuluje řadu let. Až nedávno se ho podařilo...

Když má umřít Bambi, veřejnost se bouří. I když si to Bambi zaslouží

Neochota zabíjet roztomile a něžně vypadající zvířátka, i když je to zrovna zapotřebí, se může snadno obrátit proti...

KVÍZ: Znáte letadla studené války? Mnohá bojovala i v horkých konfliktech

Bojová letadla z hloubi studené války k nám dnes přiletí prostřednictvím rozpoznávacího kvízu. Ať už si chcete...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Zapomenuté heslo k Windows můžete resetovat. Až na výjimku to jde snadno

Zapomenout heslo pro přístup do PC je děsivá představa. Stane-li se to ve Windows, existuje relativně velká šance, že...

Bláznivý voyeur Tichý. Žil jako bezdomovec, dnes jeho fotky stojí statisíce

Premium V jeho domě se fotky válely po zemi, padal na ně prach i bláto z bot. Na téměř každé z nich byla skvrna od kávy nebo...

Za fotky nehody Philipa nabízeli obří sumu. Neprodal jsem, říká exšéf Kladrub

Premium Když v roce 1996 přijela do Čech britská královna Alžběta II., snad nikdo nemohl velkému milovníkovi koní a jejich...

Svačiny jsou zbytečné. Stačí jíst dvakrát denně, vysvětluje profesor Anděl

Premium Nadváhu má v Česku až 44 procent mužů a 31 procent žen. A obezitu dalších 20 procent mužů a 18 procent žen. Statisíce z...

  • Další z rubriky

Když má umřít Bambi, veřejnost se bouří. I když si to Bambi zaslouží

Neochota zabíjet roztomile a něžně vypadající zvířátka, i když je to zrovna zapotřebí, se může snadno obrátit proti...

STO OBJEVŮ: Hruška pro zdokonalení železa se ujala nejdříve v armádě

Seriál Ocelový věk nastal díky vojenské zakázce. Ovšem pevnou slitinu železa, uhlíku a dalších prvků lidstvo využívá i mírově....

Češi zrekonstruovali slavný záběr Einsteinova zatmění Slunce

Čeští vědci omladili, vylepšili a obarvili jeden z nejslavnějších snímků v historii fyziky. Originál z roku 1919 byl...

STO OBJEVŮ: Plísni navzdory. Vděk za brambory přišel v Evropě s hladomorem

Seriál Erteple, zemčata, kobzole, jabčata. Ať se jim říká jakkoli, jsou to brambory. Dnes jedna z nejběžnějších potravin,...

Kuchyň mají na terase. Šílený plán mladých manželů je geniální

Honza a Katka se po svatbě nastěhovali do domu svých prarodičů. V patře, které obývají, jim však chybí kuchyň. A tak...

Princ Harry se vrátil do Británie na pohřeb dědečka, karanténu nestihne

Britský princ Harry přiletěl z Los Angeles na pohřeb svého dědečka prince Philipa. Na letišti Heathrow ho v neděli po...

Podstoupím úpravu prsou. Není čas cvičit a chroustat mrkev, říká Kalivodová

Andrea Kalivodová (43) se svěřila s tím, proč se rozhodla podstoupit remodelaci prsou. Operní pěvkyně v rozhovoru pro...

Pohřeb prince Philipa se bude konat 17. dubna, Harry dorazí bez Meghan

Buckinghamský palác oznámil, že pohřeb zesnulého prince Philipa se bude konat 17. dubna. Zároveň potvrdil, že princ...

Karel neskrýval, že chce syna, prozradila těhotná Lilia Khousnoutdinova

Lilia Khousnoutdinova (32) a Karel Janeček (47) se za pár týdnů dočkají miminka. Publicistka, návrhářka a cestovatelka...