Dziury czy plamy?

Odkrywając plamy na Słońcu Galileusz narobił sporo kłopotów filozofom, teologom i ludziom zajmującym się astronomią i fizyką. Najpierw w ogóle nie wierzono, że Galileusz widział je naprawdę. Potem starano się udowodnić, że są to obserwowane na tle tarczy słonecznej planety wewnętrzne. Później, przez dobre kilkadziesiąt lat, właściwie nie bardzo wiedziano czym one są. Dopiero Herschel nieco uporządkował wiadomości na ten temat uzasadniając w sposób ciekawy pogląd, że są to dziury w jasnej powłoce pozwalające zajrzeć pod tę powłokę i obserwować chłodniejszą, prawdziwą powierzchnię Słońca.

Ta „dziurawa teoria” plam słonecznych przetrwała aż do połowy ubiegłego wieku i była nieraz interesująco uzasadniana na gruncie — aktualnej w danym okresie — znajomości praw fizycznych. Warto prześledzić niektóre sposoby rozumowania, wykorzystujące dane obserwacyjne jako argument przemawiający na korzyść teorii dziur. Dziś te same obserwacje rozumiemy inaczej — ale dziś znamy także prawa świecenia gazów i wiemy, jak w gazach pochłaniane jest promieniowanie. Wtedy te problemy były zupełnie niejasne.

Tak więc na przykład w „Jahrbuchu” astronomiczno-przyrodniczym wydanym w Stuttgarcie w r. 1843 czytamy o tym, jak niewątpliwą rzeczą jest, że plamy na Słońcu są dziurami i jak nieodpowiednim zwyczajem jest mówienie o cieniu czy też półcieniu, kiedy przecież już Herschel udowodnił, że mamy do czynienia z dziurami, skoro obserwuje się „paralaksę plam”. Proszę nie mieszać tej „paralafesy” z paralaksą gwiazd — chodzi tu o skrót paralaktyczny plamy, widzianej na brzegu, w stosunku do jej obrazu w środku tarczy.

Przypuśćmy, że istotnie plamy są dziurami. Jak w takim razie wytłumaczyć że są one czarne, że przez te wyimaginowane dziury widać głębsze warstwy Słońca? Ten problem nie był łatwy do rozwiązania i poza paru niedorzecznymi całkowicie opowiadaniami na ten temat, próbowano go wyjaśniać w sposób naukowy w ciągu kilku dziesiątków lat pierwszej połowy ubiegłego stulecia, i jeszcze poza połową. Rozumowano różnie i atakowano zagadnienie plam słonecznych z różnych stron. Skoro przyjmowano dość powszechnie, że plamy nie są ciemnymi, niedopalonymi węglami ani szlaką na słonecznej powierzchni, ale dziurami — co uważano za dowiedzione — trzeba było bliżej wyjaśnić i zbadać, co się w tych dziurach obserwuje. Niektóre z dawniejszych przypuszczeń, mówiących o tym, że na rozpalonej powierzchni Słońca powstaje szlaka ciemna, podobna do tej, jaka się tworzy na powierzchni topionej rudy żelaznej, przemawiały do wyobraźni i zdawały się być w zgodzie ze znanymi faktami. Ale przypuszczenia te były już zbyt grubym przybliżeniem i nie mogły się ostać.

Rozpatrywano więc dwie możliwości odpowiedzi na to, co obserwuje się w plamach: jedną z tych możliwości było przyjęcie, że widzimy stałą powierzchnię Słońca, drugą — że obserwujemy jakąś gazową warstwę. Ponieważ całą fotosferę uważano za obłoki gorące cząstek stałych, można było przypuszczać, że w dziurach mamy do czynienia z chłodnym gazem. Ale wtedy nasuwało się pytanie: co nagrzewa te zewnętrzne gorące obłoki, o których mówiono nawet, że grubość ich wynosi zaledwie kilka mil (kilometry nie były wtedy w powszechnym użyciu). Wyjaśnienie wydawało się proste. Gaz w dziurach nie może być chłodny — musi być gorący, gorętszy nawet od fotosfery. Argumentowano w ten sposób, że gorącego gazu nie widać — a w płomieniu ogniska to co świeci, to cząstki płonącego węgla czy drewna… (Dziś już w szkole podstawowej uczymy się inaczej i powiedzielibyśmy uczonemu z zeszłego wieku, że myli się, bo gaz gorący także świeci). Jeżeli zatem gaz gorący — jak twierdzono — nie świeci, w przeciwieństwie do ciała stałego, czarność plam byłaby wyjaśniona podobnie jak jasność fotosfery, której pyłowe chmury byłyby ogrzewane przez gorący gaz.

Przeciwko takim poglądom występowali zwolennicy twierdzenia o sięganiu w plamach do stałej powierzchni Słońca. Jest rzeczą ciekawą, że to co dziś uważalibyśmy za druzgocący argument przeciwko takiej hipotezie, zostało około 1865 r. uznane za walny dowód nie gazowego dna plam słonecznych. Uzyskano wtedy po raz pierwszy zdjęcia widma plam słonecznych i stwierdzono, że jest ono podobne do widma fotosfery: na jasnym tle występują ciemne linie. Widziano wtedy, że gaz gorący świeci tylko w liniach i że jest źródłem emisyjnego widma liniowego, w przeciwieństwie do ciała stałego, które daje jasne tło pozbawione linii. Jeżeli występują ciemne linie, dowodzi to że światło ciała stałego jest pochłaniane przez ośrodek gazowy. Uważano, że tak właśnie powstaje widmo fotosfery — ciągłe jasne widmo miało pochodzić od świecenia cząstek ciała stałego, rozgrzanych do wysokiej temperatury, tworzących jasne obłoki — fotosferę. Ciemne linie mogły pochodzić od chłodniejszego gazu, w którym pływały te cząstki, podobnie jak cząstki kurzu w atmosferze ziemskiej. Występowanie podobnego jasnego tła w widmie plam, usianego ciemnymi liniami, mogło więc być uważane przy takich poglądach na fizykę gazu świecącego za dowód, mówiący o tym, że plamy słoneczne istotnie są dziurami w fotosferze. Poprzez te dziury, na ich dnie obserwujemy chłodniejszą powierzchnię Słońca, powierzchnię co najmniej równie twardą, jak powierzchnia Ziemi.

Ten tryumf teorii „czarnych dziur” (nie mylić z dzisiaj opisywanymi relatywistycznymi czarnymi dziurami) był jednak krótkotrwały. Lepsze poznanie praw świecenia gazu, teoria świecenia ciała doskonale czarnego i szybki postęp badań fizycznych i astrofizycznych przyczyniły się do zapomnienia o tej dawnej interpretacji zjawiska plam słonecznych. I słusznie. Przypominam te dawne czasy nie dlatego więc, by odnawiać dawne, przebrzmiałe poglądy, ale by przypomnieć o tym, że metody badania oraz interpretacji zjawisk astronomicznych są ściśle uzależnione od stanu znajomości praw rządzących materią, wykrywanych w laboratoriach oraz interpretowanych zgodnie z panującą w danym okresie czasu teorią. Nie wymagajmy więc zbyt wiele od dawnych badaczy Słońca i nie śmiejmy się z ich nieraz naiwnie wyglądających poglądów — nie wiemy bowiem, czy za następne sto lat nie będą równie dziwacznie wyglądać nasze dzisiejsze interpretacje, dla heliofizyków tych późniejszych czasów. Jedno wydaje się pewne: nie wróci teoria dziur i nikt chyba nie odrzuci poglądu mówiącego o tym, że i fotosfera i plamy są całkowicie gazowe — nawet więcej — że gaz tworzący je to plazma, mieszanina atomów obojętnych, jonów i swobodnych elektronów.

Warto jednak czasem zajrzeć do starych książek i zobaczyć, jak trudzili się uczeni nad wyjaśnieniem takich codziennych zjawisk — jak plamy słonecze.