Kdy skončí v astronomii středověk?

Blíží se třetí tisíciletí křes ’tanské éry (které pro mne, a asi i pro většinu lidstva, začne 1. ledna 2000)[1], ale v astronomii novověk dosud jen nesměle začíná.

Vztažná soustava

Nevěříte? Zamyslete se tedy, co je typické pro středověký pohled na vesmír, a naopak pro pohled novověký. Plně novověký je až pohled Isaaca Newtona. Newtonova fyzika, aby mohla hovořit o poloze nebo pohybu nějakého tělesa, nejprve musí definovat vztažnou soustavu. Tu lze nejsnáze spojit s jiným pevným tělesem, ale lze ji spojit například i jen se středem hmotnosti soustavy těles (například Sluneční soustavy) a dvěma směry k jiným tělesům (například oběma nesmírně vzdáleným). V některých vztažných soustavách lze porozumět pohybu zkoumaného tělesa (tedy jej například předpovídat) velmi snadno, v jiných to může být obtížné.

Předchozí fyzika, zpochybněná Koperníkem a popřená Galileem, se označuje jako aristotelovská. Neplatí v ní princip setrvačnosti: pozemská tělesa se pohybují, jen dokud na ně působí nějaká síla, zato nebeská tělesa se pohybují samovolně, ale jen po kružnicích. Polohy a pohyb aristotelovská fyzika popisuje vždy jen vůči pevnému povrchu Země. O nich říká, že jsou ”skutečné“. Popis poloh a pohybů při pohledu z plující lodi, natož při pohledu ze Slunce, je pro ni nevhodný, případně úplně špatný. Takové polohy či pohyby označuje jako ”zdánlivé“.

Aristotelovská fyzika je blízká běžné zkušenosti, a i když se ji celý systém vzdělávání snaží u žáků a studentů nahradit fyzikou newtonovskou, jeho úspěchy jsou omezené. Vzpomeňme si jen na věty typu ”Sedíme-li ve vlaku, zdá se nám, že stromy vedle vlaku rychle uhánějí kolem nás“. Ono se nám to totiž nezdá (pokud zrovna nespíme).

Astronomické vzdělávání se ale o nahrazení starobylého pohledu na svět moc nestará. Mnozí autoři jsou totiž (aniž to vědí) přívrženci aristotelovské fyziky. To lehce odhalíte z libovolné věty, kde mluví o ”zdánlivých“ polohách. Pro ně je ”skutečná“ jen jedna vztažná soustava; která to v dané chvíli je, ale neuvádějí. Proti plně aristotelovské fyzice to jsou v různých situacích soustavy různé, jen někdy jde o pevnou Zemi.

Obloha

Na tuto základní mlhavost astronomických textů, totiž neuvádění vztažné soustavy, navazují další. Astronomové mluví o poloze hvězdy, a domnívají se, že mluví o tělese. Ve skutečnosti ale mluví obvykle jen o směru, ze kterého na ně v nějaké vztažné soustavě v dané chvíli dopadá světlo vyzářené kdysi tímto zdrojem. To bývá ale velký rozdíl. Řekněme, že jde o nejběžněji užívanou vztažnou soustavu, spojenou s pevným povrchem Země. V takové vztažné soustavě daná hvězda (jako těleso nebo soustava těles kdesi velmi daleko) uhání ohromnou rychlostí kolem rotační osy Země, a kde je v danou chvíli, vůbec nevíme, protože neznáme její vzdálenost s přesností lepší než jeden světelný den. Přesto můžeme namířit dalekohled tak, aby jím procházelo světlo z oné hvězdy, a občas jej pootočit, abychom hvězdu viděli i nadále.

O jaké poloze hvězdy to tehdy mluvíme? O té, kterou vidíme. Je vhodné ji nazvat poloha na obloze. Nejde tehdy o těleso, ale jen o světlo z něj. Přesněji o směr, odkud k nám přichází. Ve vztažné soustavě, dané budovou hvězdárny, se směr, do kterého za hvězdou natáčíme dalekohled, během noci mění. A co to je vlastně ta obloha? To jsou všechny možné směry, ve kterých můžeme oním dalekohledem vidět hvězdy. Tedy všechny směry, mířící nad Zemi a její výčnělky (jako kopce, budovy a olistěné koruny).

Fyzika, odehrávající se uvnitř laboratoře, takový výraz nepotřebuje. Popisuje bu ’ d přímo tělesa, nebo výslovně záření (jako částice či vlny) které se od nich šíří. Astronomický popis se uplatní až v dálce, kam si ”nemůžeme sáhnout“, kde nemůžeme konat pokusy, ale jen pozorovat, co se bez našeho vlivu děje. Až tehdy se opravdu hodí zavést pojem obloha. A je to možné udělat pro každou vztažnou soustavu a bod, odkud z ní pozorujeme svět kolem sebe. Jde-li například o vztažnou spojenou s dalekohledem, kterým zrovna exponujeme Mlhovinu v Orionu, používáme pojmu hvězdná obloha. Přívlastek hvězdná naznačuje, že hvězdy (přesněji stálice) na ní (a na našem snímku) zůstávají na místě. (Bodem, odkud tehdy vesmír pozorujeme, je zřejmě střed objektivu dalekohledu.)

Obecněji jde nejen o pozorování (tedy pohled očima), ale prostě sledování nějakého signálu. Třeba o poslouchání: letadlo mívá dvě různé polohy na obloze — v jednom směru je slyšíme, a v jiném případně vidíme.

Velikost… ?

Poslední ”středověkým rysem“ astronomie je její vyjadřování, jak jsou hvězdy jasné. Až v minulém století se dočkalo jakéhosi fyzikálního definování a zjemnění, celá dvě tisíciletí šlo jen o třídění hvězd do skupin. Dnes tedy nemáme jen hvězdy první velikosti, druhé velikosti, atd., ale v případě potřeby vyjadřujeme desetinnými čísly, jak se nám jeví jasné. Jenom to vyjadřujeme jaksi bláznivě.

Problém přitom není, že bychom nedostávali přesné výsledky. Podobně, jako v případě poloh, jen mnohdy tajíme, co máme vlastně na mysli. Co ta čísla skutečně znamenají. Takové tajemno je ale zbytečné, a jsem přesvědčen, že i škodlivé. Není pak divu, že si nás lidé pletou s astrology. Co chybí k tomu, abychom byli fyziky?

V astronomické fotometrii chybí jen málo: údaj, jak je hvězda jasná, musí vyjadřovat hodnotu nějaké fyzikální veličiny. A k té je potřeba mít nějakou jednotku. Onu veličinu, respektující starověké třídění hvězd, nazýváme hvězdná velikost, a její jednotku pak magnituda. Abychom mohli hvězdnou velikost snadno definovat, potřebujeme ještě veličinu jasnost (ta má jednotku lumen na metr čtvereční). Pak už stačí říci, jaká jasnost odpovídá hvězdné velikosti nula magnitud (přibližně hvězdě Vega), a že hvězdy o pět magnitud slabší (tedy s hvězdnou velikostí pět magnitud) jsou slabší stokrát (tedy jejich jasnost je jen setinou jasnosti Vegy). Rozdíl 2,5 mag znamená poměr jasností 10, hvězdy slabé 7,5 mag na nás svítí tisíckrát méně než Vega. Hvězdná velikost je veličina bezrozměrná a logaritmická. Podobné jsou některé veličiny v akustice, což není divu: i ty se snaží vystihnout naše vnímání.

Dnešní fotometrie se ale už většinou neopírá o lidský zrak, a tak je obdobných veličin více, pro různé filtry, přes které se viditelné a neviditelné záření z vesmíru pozoruje. Křivka propustnosti jednoho z nich (filtru V) se blíží křivce citlivosti našeho zraku (tedy vizuální). Hvězdné velikosti se téměř vždy zavádějí tak, že pro Vegu jsou přibližně nula magnitud (pro přesnější stanovení základní úrovně se užívá více hvězd). A tak si v populárních textech většinou nemusíme lámat hlavu tím, o jaký filtr přesně šlo. Stojí li někde psáno, že planetka byla asi patnácté velikosti, tedy měla hvězdnou velikost asi patnáct magnitud, rozumíme tomu tak, že byla asi miliónkrát slabší než Vega, čili než stálice nulté velikosti (patnáct je třikrát pět, a sto na třetí je milión).

Je to trochu divné vyjadřování, ale mlhavé není. Jenže se v běžných textech mlhavým stává! Slova velikost, jasnost, hvězdná velikost a magnituda se libovolně zaměňují. Posledním z nich se označuje veličina i jednotka, ale vyskytne se i s pořadovou číslovkou. Pořadová číslovka ale patří jen ke starobylému pojmu velikost^{1}. Málokterý astronom se tomu ubrání, protože takovému zmatku přivykl. Odvyká se pomalu, a i pro mne jako autora to bylo těžké. Stejně jako pro redaktory Instantních astronomických novin.

Přepočet hvězdných velikostí (anglicky faintness) na jasnosti nabízí autorův program fai2bri, viz [2].

Azimut od jihu?

Náš mladý spolupracovník, hvězdář Jan Máchal, se mě koncem dubna dotazoval na význam jedné veličiny u předpovědí zjasnění družic soustavy Iridium, a říkal, že jedno, které mělo dosáhnout asi mínus pět magnitud, prostě nenastalo. Později večer ale přišel na to, v čem byl problém: díval se totiž na opačnou stranu.

Kdyby nebyl hvězdář, asi by to nepopletl. Jenže jeho učili, že azimut se počítá od jihu. V domnění, že jde o astronomickou předpově ’ d, se s důvěrou obrátil zády k místu, kde se družice měla na obloze objevit.

V normálním světě azimut počítáme od severu. Možná tomu tak nebylo vždycky, vzpomeňme si na středověké mapy, kde nahoře nebyl sever, ale jih. Dnešní kompasy ale mají stupnici takovou, že azimut severu je nula, azimut východu devadesát a azimut jihu sto osmdesát stupňů. Astronomové ale jakoby o tom nevěděli, pod běžnou veličinou rozumí její opak. Je to možná praktické při výpočtech i při vyjadřování (v naší zeměpisné šířce jsou Slunce, Měsíc a planety většinou blíž k jihu než severu). Pokud ale takovou výhodu chceme mermomocí použít, měli bychom takovou veličinu nazývat (pro zasvěcené) astronomický azimut, nebo lépe (totiž pro každého) azimut od jihu. Jinak to sami popleteme (to vím z vlastní zkušenosti). Prosté azimut by mělo znamenat výhradně to, co znají všichni ze zeměpisu.

Hvězdy, stálice a planety

Ne všechna nedorozumění v astronomii mají tak starý původ. Jedno, méně závažné, je naopak novověké.

Slovem hvězda se odedávna rozuměl jakýkoliv světelný bod na obloze. Většina takových bodů zůstává ve stálých vzájemných polohách, a označují se proto jako stálice. Jen hrstka se chová jinak, zejména planety (doslova bludice). Světelný bod, který po obloze na okamžik rychle popoběhne a zmizí, je padající hvězda, čili meteor. K nim přibyly hvězdy, které se pohybují méně nápadně, družice a vzdálená letadla.

Dnes má slovo hvězda ještě další význam: míníme jím horké, přibližně kulové těleso, jako je naše Slunce. Podobně i slovo planeta označuje také těleso určitého typu, viz dále.

Třetí význam slova hvězda, se kterým se dnes setkáte, je docela matoucí. Vznikl zúžením původního významu pouze na stálice (anglicky fixed stars, německy Fixsterne). Vyvinul se zřejmě z představy, že stálice jsou cizí slunce, čili hvězdy ve druhém (dnešním) smyslu tohoto slova. Ale tak to přece většinou není! Tento omyl je ale až novověký, a že jde o omyl, začíná být nápadné až koncem dvacátého století.

1Takovou pěknou možnost mají všechny nerománské jazyky. V jazycích bližších latině to je složitější, protože magnus je latinsky velký a magnitudo znamená velikost. Anglické magnitude proto asi zůstane dvojznačné, kromě jednotky bude občas označovat i starověkou třídu jasnosti.

Většina stálic jsou soustavy, alespoň dvojhvězdy. Světlo některých stálic ale nepochází jen z hvězd. Z jedné hvězdy na druhou může téci proud plynu, a ten pak případně vytváří okolo druhé hvězdy (jde-li o husté malé těleso) plynný disk. Takový disk může svítit více než obě hvězdy. Pokud je uprostřed disku černá díra, může z jeho osy tryskat ohromnou rychlostí plynný paprsek, jasnější, než celý zbytek stálice. Díváme-li se na nebe, měl by se nám zatajit dech nad tím, jaké děje tam probíhají. Stálice jsou zkrátka procesy, které vydávají mnoho světla.

I když uvažujeme o stálicích jen jako o soustavách těles, neměli bychom zapomínat na případné složky, které hvězdami nejsou: neprobíhaly a nebudou v nich probíhat jaderné reakce. Můžeme jim říkat planety, i když se těm našim mohou podobat jen docela málo. Jsou tam jistě i menší tělesa, planetky, které v blízkosti hvězd mohou vytvářet plynoprachové fontány, čili komety. A pak i drobnější částice z nich uvolněné, nebo i původní plyn a prach, ze kterého celá soustava dosud vzniká. Takový prach známe z infračerveného pozorování některých stálic.

Přechodným typem těles jsou taková, kde jedny jaderné reakce proběhly (zmizelo lithium), ale vodík se na hélium měnit nebude. Těm se zatím říká hnědí trpaslíci. Na pohled se, stejně jako čerstvé planety velké hmotnosti, určitě podobají hvězdám: jsou to tělesa s horkou (svítící) vodíkovou atmosférou. Zdá se, že v květnu 1998 objevil Hubblův teleskop planetu, která tvoří největší těleso slabounké stálice, vymrštěné z jiné mladé stálice.

Co vlastně označujeme slovem planeta? Už tisíce let tím myslíme některou z mála hvězd. Od Koperníka pak i podobně vybraná tělesa, ke kterým počítáme i Zemi. Nyní asi i další tělesa, v nichž těžší látky klesly do hloubky — a takových je už jen ve Sluneční soustavě zřejmě desítky.

Shrnuto, protiklad hvězda – planeta patří jen do uvažování o složení stálic nebo Sluneční soustavy, tedy do uvažování o tělesech. Mluvíme-li o málo pohyblivých světelných bodech na nebi, tím správným protikladem je stálice – planeta, stejně jako za dávných časů!

Dále a podrobněji

Více se o podivných astronomických zvycích můžete dozvědět v textu Úskalí didaktiky astronomie, viz http://astro.sci.muni.cz/pub/hollan/a papers/uskali/. Tam jsou i odkazy na texty, které by měly sloužit jako norma. Dozvíte se tam v závěru i o tom, jaké strašidlo si hvězdáři vymysleli místo veličiny jas a že vyjadřují úhly v časových jednotkách (jedna hodina je přitom patnáct stupňů). To je ale také až kuriozita novověká, bohužel.

pondělí 8. června 1998

Odkazy

[1] Tomsa, Jan: Počítání času (Základy teorie kalendáře). Koniasch Latin Press, ve spolupráci s Hvězdárnou a planetáriem hlavního města Prahy, 1995. ISBN 80-85917-13-0.

[2] http://astro.sci.muni.cz/pub/hollan/programmes/photometry/.

Jan Hollan, tel. (5) 33 40 96

Hvězdárna a planetárium M. Koperníka 41 32 12 87 Kraví hora 2 616 00 Brno e-mail: hollan@ped.muni.cz