W cieniu Plutona

W czerwcu 2011 roku Boeing 747 leciał nad stosunkowo pustym obszarem Pacyfiku. Nie był to jednak zwykły 747. W pewnym momencie na jego boku otworzył się wielki luk, i w niebo wycelowano 2,5-metrowy teleskop. Miejsce i czas obserwacji dobrano z niebywałą precyzją. W jednym momencie trzy obiekty znalazły się w jednej linii - teleskop na pokładzie samolotu, odległy o sześć miliardów kilometrów Pluton, oraz odległa o wiele lat świetlnych gwiazda.

Obserwując światło gwiazdy przechodzące przez żałośnie rzadką atmosferę można było dokonać pomiaru jej gęstości, ciśnienia oraz temperatury. Wiemy już, że jest tam o dziesięć stopni chłodniej niż się spodziewano (czyli -230’C), a ciśnienie wynosi od sześciu do dwudziestu pięciu milionowych ciśnienia którym cieszymy się na Ziemi.

To tylko jeden z eksperymentów, dzięki którym wiemy sporo o obiekcie, którego porządne zdjęcie zobaczymy po raz pierwszy dopiero w 2015 roku, kiedy New Horizons przeleci obok planety karłowatej z prędkością 58 tysięcy kilometrów na godzinę. Mimo to już teraz wiemy, że jego atmosfera składa się z głównie z azotu oraz drobnych ilości metanu i dwutlenku węgla, że są tam pory roku, kiedy gazy te w większości dołączają do lodów tych i innych substancji na powierzchni Plutona.

Jak to możliwe, bez spojrzenia z bliska, dotknięcia paluchem, wzięcia pod mikroskop? Dzięki spektroskopii. Prosty (co do zasady) mechanizm sprawia, że bez ruszania tyłka z Ziemi, możemy przebadać obiekty znajdujące się na krańcu widzialnego Wszechświata. Jak?

Elektrony w atomach i cząsteczkach mogą znajdować się jedynie na określonych pozycjach (orbitalach), które odpowiadają odpowiednim poziomom energii. Aby elektron „wskoczył” na wyższy musi otrzymać porcję energii równą dokładnej różnicy między oboma poziomami energii. Światło białe jest mieszaniną fotonów, czyli takich właśnie paczek energii. Energia przekłada się na kolor (co może oznaczać nie tylko tęczę ale całe spektrum) fotonu. Kiedy mieszanina światła przechodzi przez np. gaz, zanikają tylko pojedyncze barwy białego światła, charakterystyczne dla atomu lub cząsteczki. Opisałem tu widmo absorpcyjne, są też emisyjne oraz różne inne warianty spektrometrii, ale idea jest podobna. W ten sposób badając światło gwiazd przechodzące przez obłoki gazów, analizując ciemniejsze prążki na „tęczy” światła rozbitego przez pryzmat możemy się dowiedzieć jaki jest skład gwiazdy, oraz gazów przez które przeszło. Badać można również światło odbite. Oczywiście nie jest to proste – potrzebna ogromna precyzja i branie pod uwagę szeregu czynników.

Koniec przydługiej dygresji, bo właśnie precyzja ma być głównym tematem tej notki. W 2005 roku eksperyment LIGO (Laserowe Obsewatorium Interferometryczne Fal Grawitacyjnych) uzyskało czułość pomiaru odległości rzędu jednej części na 10^21. Innymi słowy, było w stanie wykryć zmianę długości pomiędzy zwierciadłami (wywołaną hipotetyczną falą grawitacyjną) mniejszą niż jedna tysięczna „średnicy” protonu.

Niezwykła osiągi mają nie tylko procesy naukowe. Produkcja elektroniki wymaga ekstremalnej czystości. W metrze sześciennym zwykłego powietrza jest około 35 milionów cząsteczek większych niż 0,5 mikrometra. W metrze sześciennym powietrza w pomieszczeniach o najwyższej klasie czystości może ich być nie więcej niż dwanaście. Nie, nie dwanaście milionów. Po prostu dwanaście. I to mniejszych niż 0,3 mikrometra.

Na koniec jeszcze jeden pokłon w kierunku czułości naszych instrumentów. A żeby było ładniej, posłużę się cytatem:

“Modern radio telescopes are exquisitely sensitive; a distant quasar is so faint that its detected radiation amounts perhaps to a quadrillionth of a watt. The total amount of energy from outside the solar system ever received by all the radio telescopes on the planet Earth is less than the energy of a single snowflake striking the ground.”

- Carl Sagan

Linki:
A Future We Didn't Expect - artykuł, który był impulsem do napisania tej notki.
SOFIA - czyli stratosferyczne obserwatorium astronomii podczerwonej.
SOFIA na Wikipedii - to samo i zarazem źródło obrazka w tym wpisie.
LIGO - Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
Cleanroom - Wikipedia o czystych pomieszczeniach do produkcji elektroniki i badań.