Jerzy Michał Pawlak: Jak archeolog z astronomem

2013-01-03.

czyli o obustronnych korzyściach z współpracy interdyscyplinarnej

Tysiące lat temu w Egipcie wzdłuż Nilu kwitła stara cywilizacja. Pozostało po niej, obok najbardziej znanych piramid i komór grobowych, także wiele zabytków pisanych, w formie zwojów papirusowych.  Kilka spośród tych zachowanych zwojów zawiera kalendarze z przepowiedniami na cały rok. Staroegipski kalendarz „cywilny” (różny od używanego przez egipskich kapłanów kalendarza księżycowego) dzielił rok na 12 miesięcy po 30 dni każdy. Do tego na końcu każdego roku dodawano 5 dni bez daty. Rok egipski zawierał w ten sposób 365 dni. Znalezione papirusy zawierały dla każdego z 360 posiadających datę dni informację, czy jest on „szczęśliwy” czy „nieszczęśliwy” – a ściślej dla każdego dnia dane były trzy przepowiednie, na trzy pory dnia: ranek, południe i wieczór. W dniach lub porach „nieszczęśliwych” kalendarz zalecał nie rozpoczynać interesów, nie podróżować, a czasami wręcz nie wychodzić z domu. Dzieci urodzone w tym czasie miały być słabe i chorowite.

Kilka lat temu grupa uczonych spróbowała odtworzyć reguły, według których autor kalendarza przypisywał „szczęśliwość” poszczególnym dniom i ich częściom. Niektóre reguły widoczne były na pierwszy rzut oka, na przykład pierwszy dzień każdego miesiąca zawsze w całości był szczęśliwy, zaś dwudziesty dzień miesiąca – w całości nieszczęśliwy. Badacze usiłowali znaleźć regularności w pozostałych, przypadkowo wyglądających wróżbach. Sprawę utrudniał fakt, że zwoje dotrwały do naszych czasów uszkodzone i nie dla wszystkich dni udało się odczytać przepowiednie, trzeba było więc szukać regularności w niekompletnym zbiorze danych. Jest to problem, z którym astronomowie muszą radzić sobie dość często: mając serię nie zawsze regularnych obserwacji należy znaleźć regularności w przebiegu obserwowanego zjawiska. Toteż nic dziwnego, że właśnie astronomowie zasiedli do tego problemu. Można było zresztą oczekiwać, że właśnie zjawiska astronomiczne były podstawą dla kalendarzowych wróżb.

Analizując swymi metodami sekwencję przepowiedni badacze zaobserwowali kilka regularności. Jedna z nich miała okres około 29,5 dnia – łatwo zidentyfikować ją z okresem synodycznym Księżyca (czyli okresem pomiędzy kolejnymi pełniami). Oznacza to, że fazy Księżyca miały wpływ na przepowiednie za dany dzień. Inna wyraźnie widoczna w danych regularność miała okres niecałych 3 dni (dokładniej około 2,85 dnia). Ta liczba z kolei jest bardzo bliska okresowi zmian blasku gwiazdy zmiennej – Algola. W ten sposób archeologia nauczyła się czegoś od astronomii: kapłani w starożytnym Egipcie najprawdopodobniej obserwowali zmienność tej gwiazdy i zdawali sobie sprawę z jej regularności, pozwalającej na przewidywanie przyszłych zmian jej blasku. Nie istnieją wprawdzie żadne dokumenty ani zabytki w których zanotowana by wprost była informacja o obserwacji zmienności tej gwiazdy, jednak wyniki analizy kalendarza czynią tę hipotezę wysoce prawdopodobną.

Algol, zwany bardziej uczenie β Persei, to jedna z najdawniej znanych gwiazd zmiennych. Normalnie świeci jasnym (druga wielkość gwiazdowa) błękitnym światłem. Jednak co niecałe trzy dni przygasa wyraźnie na kilka godzin, a jej barwa zmienia się na czerwoną. Od starożytności ludzie obserwowali te zmiany i byli nimi wyraźnie zafascynowani. Starożtyni Grecy umieścili tę gwiazdę w gwiazdozbiorze Perseusza, gdzie była złowrogim okiem niesionej przez bohatera odciętej głowy Meduzy. Stąd i samą gwiazdę nazywano niekiedy Gorgoną. Arabowie nazwali ją ra’s al-ghūl czyli głowa demona. Właśnie z tego arabskiego określenia wywodzi się nazwa Algol. W języku angielskim do dziś bywa nazywana Demon Star. Nie można więc wykluczyć, że i egipscy kapłani obserwowali tę gwiazdę i przypisywali jej wpływ na ludzkie losy.

Współcześnie okresowość zmian blasku Algola zauważył, pod koniec XVIII wieku, brytyjski astronom amator, John Goodricke. On też jako pierwszy w czasach nowożytnych zmierzył okres i zaproponował mechanizm zmian blasku, potwierdzony wiek później. Algol jest tzw. zmienną zaćmieniową: składa się z dwóch gwiazd, obiegających się wzajemnie po ciasnej orbicie. Ziemia leży w przybliżeniu w płaszczyźnie tej orbity, przez co obserwujemy okresowe wzajemne przysłanianie się tych gwiazd, widoczne jako zmiany blasku. Obie gwiazdy orbitują przy tym tak blisko siebie, że nawet w najsilniejszych teleskopach widoczne są jako jedna i do niedawna optyczne rozdzielenie ich obrazów było niemożliwe. Dopiero w ostatnich latach  udało się to zrobić, wykorzystując technikę interferometrii.

W przypadku układu Algola cięższa i jaśniejsza z gwiazd, nazwana składnikiem A, jest gwiazdą ciągu głównego, gorętszą i ponad trzykrotnie cięższą od Słońca. Temperatura jej powierzchni zbliża się do 10000 K, a więc świeci ona błękitnym światłem. Obiega ją składnik B, lżejszy i ciemniejszy, ale większy rozmiarami. Jako znacznie chłodniejszy świeci on czerwono.  Normalnie światło składnika A dominuje i dlatego obserwujemy błękitny kolor gwiazdy. Gdy jednak składnik B przesłania A, widzimy przede wszystkim jego światło i dlatego gwiazda staje się ciemniejsza i zarazem czerwonawa. Oczywiście okresowo składnik B przechodzi też za składnikiem A, jednak jest on ciemniejszy i, ze względu na różnicę rozmiarów, tylko częściowo przysłonięty. Zmiana całkowitego blasku gwiazdy jest więc wtedy niewielka, wykrywalna tylko dla czułych przyrządów.

Taka budowa układu Algola przez pewien czas stanowiła zagadkę dla astronomów i ochrzczono ją nawet paradoksem Algola. Wiadomo bowiem, że gwiazdy w układach podwójnych powstają mniej-więcej jednocześnie, są więc w tym samym wieku. Z drugiej strony wiadomo też, że prędkość ewolucji gwiazd zależy od ich masy, im cięższa gwiazda, tym szybsza ewolucja. Tymczasem w układzie Algola mamy lżejszą gwiazdę (B) będącą ewidentnie w późniejszym stadium ewolucji (tzw. stadium podolbrzyma), niż cięższa gwiazda A. Paradoks udało się rozwiązać w połowie ubiegłego wieku, a odpowiedzią jest zjawisko przepływu masy pomiędzy składnikami w ciasnym układzie podwójnym. Według tej teorii, świeżo po uformowaniu się układu Algola składnik B był cięższy od składnika A. W toku normalnej gwiazdowej ewolucji wypalił więc jako pierwszy większość wodoru w swym jądrze i jego zewnętrzne warstwy zaczęły „puchnąć” – gwiazda zaczęła wchodzić w stadium olbrzyma. Dla gwiazdy pojedynczej, lub w nawet podwójnej, ale w układzie o dużej odległości pomiędzy składnikami, oznacza to po prostu wzrost rozmiarów i spadek temperatury jej powierzchni, jest ona jednak w stanie utrzymać swą grawitacją rosnącą gazową otoczkę. Jednak jeżeli drugi składnik układu jest bardzo blisko, wówczas siła jego grawitacji sprawia, że zewnętrzne warstwy takiej puchnącej gwiazdy odrywają się od niej, gdyż jej własna grawitacja nie jest w stanie już ich utrzymać.  Znaczna część oderwanego gazu trafia przy tym na powierzchnię drugiej gwiazdy, zwiększając jej masę. W wypadku Algola ten przepływ masy rozpoczął się około 3 miliony lat temu, a więc w astronomicznej skali czasu bardzo niedawno. Składnik B zdążył od tego czasu stracić w ten sposób około 70% swej masy i ponad połowa z tego zasiliła składnik A, który w ten sposób stał się cięższy i zwiększył swą jasność. Reszta utraconej przez składnik B materii rozproszyła się w przestrzeni kosmicznej.

Jeżeli ten model Algola jest poprawny, to przepływ masy pomiędzy obydwiema gwiazdami powinien wprawdzie słabnąć z czasem, ale trwać do tej pory. A jednym z widocznych jego efektów powinno być stopniowe wydłużanie się okresu obiegu. Dysponujemy danymi o momentach zakryć z ostatnich 200 lat i teoretycznie powinny one wystarczyć do zaobserwowania tego efektu, okres powinien się bowiem w tym czasie wydłużyć o czas rzędu minuty. Sprawa okazuje się jednak nie tak prosta: obserwacje pokazują wahania okresu obiegu, sięgające kilkunastu minut. Źródło niektórych z nich potrafimy wskazać: na przykład za wahania z okresem dwuletnim odpowiedzialna jest obecność w układzie trzeciej gwiazdy: składnika C, obiegającego parę A+B z okresem bliskim 2 lat właśnie. Inne, o okresach 32 i 180 lat, nie zostały jeszcze zadowalająco wyjaśnione, ich przyczyną może być pole magnetyczne składnika B, lub procesy zachodzące w jego wnętrzu. Jakie by ich wyjaśnienie jednak nie było, maskują one oczekiwany efekt wydłużania się okresu z powodu przepływu materii.

I tu właśnie astronomom przyszła z pomocą archeologia: jeżeli starożytni Egipcjanie rzeczywiście zanotowali w swych przepowiedniach okres zmienności Algola, to mamy nagle dostęp do danych obserwacyjnych sprzed ponad 3 tys. lat, dostatecznie dawnych, by efekt spowalniania obiegu zdominował wszelkie wahania okresu, nawet te zachodzące w skali setek lat. Dlatego w tym roku ukazała się kolejna praca zespołu analizującego egipskie kalendarze, tym razem skupiająca się w znacznie większym stopniu na matematycznym i astronomicznym aspekcie tych badań. Autorzy przeprowadzili znacznie staranniejszą analizę okresowości przepowiedni, korzystając z różnych metod i różnych założeń. I stwierdzili, że kalendarz rzeczywiście wykazuje wyraźną okresowość z okresem 2.85 dnia (z dokładnością około 3 minut) i nie jest ona sztucznym efektem wynikającym na przykład z nałożenia się jakiegoś innego okresu na częstość „obserwacji”.  Współcześnie mierzony okres Algola wynosi 2.867 dnia. Różnica wynosi więc około 20 minut, co dobrze zgadza się z przewidywaniami zmian okresu wynikających z przepływu materii.

A przewrotnym nieco morałem tej historii niech będzie konstatacja, że nawet rzeczy tak pozornie antynaukowe jak starożytne wróżby i przepowiednie, mogą czasem mieć wartość naukową, o ile zostały starannie sporządzone, na podstawie rzetelnych obserwacji świata.

Jerzy Michał Pawlak

Linki do oryginalnych prac:

Print Friendly, PDF & Email

4 komentarze

  1. otoosh 2013-01-03
  2. andrzej Pokonos 2013-01-04
    • andrzej Pokonos 2013-01-04
  3. Magog 2013-01-04
WP Twitter Auto Publish Powered By : XYZScripts.com