Litrófsgreining

Þessi kafli er unnin í samstarfi við og upp úr samsvarandi kafla hjá Stjörnufræðivefnum. 

Sævar Helgi Bragason (2009). Litrófsgreining. Stjörnufræðivefurinn. http://www.stjornuskodun.is/alheimurinn/litrofsgreining. Sótt 15.1.2012 .

Litrófsgreining. Mynd: ESO

Þótt það hljómi lygilegt þá getum við horft aftur í tímann. Við getum séð, með berum augum, hluti sem eru ekki lengur til – eða eru breyttir. Raunar getum við bara horft aftur í tímann. Það er útilokað að sjá nokkurn hlut eins og hann er. Það er bara hægt að sjá þá eins og þeir voru.

Ástæða þess er sú að sjón byggir á ljósi. Og ljós ferðast. Það tekur tíma fyrir ljós t.d. frá peru að berast í augu þess sem sér peruna. Það ljós sem kemur í augun örvar frumur inni í auganu sem senda skilaboð til heilans. Heilinn býr þá til mynd úr skilaboðunum. Þetta er ekki svo ólíkt því að spila á píanó.

..

Segjum að þú kunnir ekkert á píanó. En fyrir framan þig eru píanó með nótum sem búið er að merkja með tölum frá 1 og upp í 88. Andspænis þér stendur manneskja sem lyftir spjaldi sem á stendur talan 55. Þú áttar þig og ýtir á nótu númer 55. Þá lyfir hún öðru spaldi: 73. Og þú slærð á nótu númer 73. Og svo áfram koll af kolli. Það verður til lag. En hver bjó til lagið og hvar varð það til?

Svarið er ekki svo einfalt. Það voru sannarlega ekki spjöldin sem bjuggu til tónana, það voru ekki einu sinni fingurnir sem ýttu á nóturnar. Hljóðin urðu til inni í píanóinu þegar litlir hamrar slógu strengi. En hamrarnir voru tengdir við nóturnar og nóturnar voru í snertingu við fingurna. Svo þarna er augljós orsakakeðja.

Eins er það með myndirnar sem þú sérð. Þótt þér finnist þú sjá hlutinn sjálfan þá sérðu aðeins mynd sem heilinn þinn hefur gert af honum. Þú getur svo dundað þér við að pæla í því hvort hluturinn er svona í „raun og veru“ eða hvort allir sjái alla hluti eins.

Um leið og ljós snertir augað verður til mynd á augabragði. En þetta ljós kann að hafa verið óratíma á leiðinni til augans. Og myndin sem verður til er af hlutnum sem gaf frá sér eða endurkastaði þessu ljósi. Frá sólinni okkar er 8 mínútna leið fyrir ljósið til okkar. Við sjáum því 8 mínútna gamla mynd af sólinni. Ef sólinn myndi springja í tætlur liðu 8 mínútur þar til við vissum af því – og allar þessar 8 mínútur myndum við sjá sólina skína friðsamlega eins og ekkert væri á himninum þótt hún væri ekki lengur til.

Sumir hlutir sem við sjáum eru ennþá lengra í burtu.

Og við vitum að einhverjar af þeim stjörnum sem við sjáum á himninum eru löngu hættar að vera til.

Nú stendur yfir æsispennandi leit að stöðum í Alheimi þar sem möguleiki er á að líf hafi þróast. Við beinum nákvæmum mælitækjum að ákveðnum stöðum á himninum og leitum að merkjum um reikistjörnur umhverfis stjörnur (sólir). Sérstaklega er verið að leita að reikistjörnum sem eru mátulega nærri en samt ekki of nærri sólunum sínum (og er þá miðað við að vatn geti verið fljótandi á yfirborði stjörnunnar en ekki frosið eða gufa). Miðað við mikilvægi vatns fyrir líf á jörðinni er ekki óskynsamlegt að ætla að það geti skipt máli fyrir líf annarsstaðar í geimnum.

Um daginn fundust tvær nýjar reikistjörnur (en menn eru farnir að finna þær með áður óþekktum hraða upp á síðkastið). Þær fundust með Keplersjónauka bandarísku geimferðastofnunarinnar (NASA). En þótt þær séu hvorugar líklegar til að geta borið líf þá vekur athygli hve ægilega langt þær eru í burtu. Ljósið frá annarri er búið að vera 4.900 ár á leiðinni til okkar og 5.400 frá hinni!

..

Ef við myndum nú finna reikistjörnu sem væri áþekk okkar og þar væri líf sem hefði þróast með svipuðum hætti og hér þá væri okkur vandi á höndum ef hún væri í 5.000 ljósára fjarlægð frá okkur. Þótt við myndum stara á plánetuna úr okkar sjónaukum og íbúar hennar til baka á okkur þá sæum við hvora aðra eins og við vorum fyrir 5.000 árum. Skilaboð frá okkur til þeirra tækju 5.000 ár að komast á leiðarenda og við þyrftum að bíða í 10.000 ár til að fá svar!

Kannski verður aldrei mögulegt að eiga samskipti við lífverur annarsstaðar í heiminum. Og þótt við yrðum þess áskynja að einhversstaðar væri líf þá halda sumir vísindamenn því fram að við ættum að snarhalda okkur saman og láta alls ekki vita af okkur. Ekki vegna þess að við óttumst svo mjög að geimverurnar væru framandi og óskiljanlegar – heldur einmitt vegna þess að við óttuðumst að þær séu líkar okkur. Því saga mannkyns er fyrst og síðast saga af sjálfselskri dýrategund sem hikar ekki við að leggja undir sig allt og alla án tillits til afleiðinganna.

Hér koma tvö tónlistarmyndbönd sem snúast um þetta þema. Tilhneigingu manna til að fara um með rányrkju og gripdeildum:

..
..

Kannski á heimsmyndin eftir að gerbreytast á næstu árum og áratugum. Kannski verður mögulegt að stytta sér leið gegnum geiminn eða gera ferðalög til fjarlægra staða möguleg. Ýmsar hugmyndir eru uppi. En ef það er eitt sem við vitum með vissu þá er það að heimurinn er sífellt að koma okkur á óvart.

Brian May, stjörnufræðingur og gítarleikari Queen, samdi fyrir löngu lag um áhrif þess ef langferðir í geimnum yrðu að möguleika. Flestir eru sammála um að ef geimfarar næðu að snúa aftur heim þá sé líklegast að allir þar hafi elst miklu meira en þeir.

..

En fyrst geimurinn er svona stór og fjarlægur, hvernig förum við þá að því að vita nokkurn skapaðan hlut?

Svarið er að það er hreint út sagt lygilegt hvað vísindamenn geta sagt mikið með því einu að skoða myndir okkar af hlutunum, ljósið sjálft. Ljós hefur nefnilega leyndan hæfileika. Það getur geymt gríðarlega mikið magn af upplýsingum.

Lengi héldu menn að ljós væri mjög einfalt fyrirbæri. Lítill bolti af orku sem ekkert væri hægt að rannsaka nema þá til að greina mismunandi liti í sundur. En ljós er miklu lúmskara en það. Það var mönnum lengi mikil ráðgáta hvernig ljós gat verið af mismunandi litum. Ýmsar kenningar voru uppi og fræg er tilraun Isaacs Newton þar sem hann braut ljósið upp með þrístrendingi og athugaði svo hvað myndi gerast ef hann leiddi aðeins einn lit aftur gegnum þrístrending.

Mynd: W.H. Freeman/Stjörnufræðivefurinn

..

Eins og við sjáum bognar ljósið en ef aðeins einum lit er hleypt inn í þrístrendind kemur aðeins einn litur út. Af þessu má draga tvær ályktanir: að hvítt ljós er samsett úr mismunandi litum sljóss og að mismunandi litir (sem ekki eru samsettir með sama hætti) beygja mismikið í þrístrendingi og koma því ekki saman út úr honum eins og þeir fóru inn í hann.

En það má brjóta ljós upp með fleiri aðferðum en að láta það skína gegnum þrístrending. Ein er að láta það skína gegnum örmjóa rifu, miklu mjórri en þá sem gula ljósið á myndinni fer gegnum.

Og sé það gert við ljósið frá sólinni okkar t.d. kemur nokkuð magnað í ljós. Skoðaðu myndina:

Gleypilínur í litróf sólar. Mynd: N.A.Sharp, NOAO/NSO/Kitt Peak FTS/AURA/NSF

Það sem vekur athygli er ekki bara það að hvíta sólarljósið okkar er úr rauðu, bláu, grænu og gulu ljósi heldur hitt að það er eitthvað verulega bogið við ljósið. Það vantar í það. Það eru mörghundruð eyður í litrófinu.

Þessar litrófslínur voru algjör ráðgáta á sínum tíma. Það er eitthvað ofsalega undarlegt við það að það séu eyður eða göt í sólarljósinu. Þegar lausnin loks kom fram var hún eitursnjöll og í einu augnabliki opnaðist leið til upplýsingaöflunar um alheiminn sem fram að því hafði ekki einu sinni verið hugsanleg.

Og þó. Menn höfðu svosem haft vísbendingarnar fyrir framan sig.

Ein af sígildum efnafræðibrellum er að brenna ákveðin efni og sjá hvernig loginn breytir um lit.

..

Hvert frumefni hefur einkennandi lit við bruna. Og tilraunin sem hér um ræðir fór þannig fram að vísindamennirnir Róbert Bunsen og Gustav Kirchhoff brenndu hrein frumefni og leiddu ljósið frá loganum gegnum þrístrending. Við það gátu þeir séð nákvæmlega hvaða litasamsetning ljóss kom frá hvaða frumefni.

Tilraun Kirchhoffs og Bunsen sýndi að þegar efnasambönd eru hituð gefa þau frá sér litróf með björtum litrófslínum með ákveðnar bylgjulengdir. Mynd: W. H. Freeman og Stjörnufræðivefurinn.

Nú var hægt að kortleggja efni út frá því ljósi sem varð til þegar þau brunni. Það er ekki lítið afrek. Það er gríðarlega hentugt að geta greint einstök frumefni með því að taka bút af efninu og brenna það. Fyrir utan hvað það er fljótlegt. Smám saman varð til skrá yfir fingraför frumefnanna. Skrá sem hægt var að nota til samanburðar og rannsókna.

Það fer ekkert milli mála hvort frumefni er vetni eða helíum. Litróf þessara efna er gerólíkt. Og Bunsen og Kirchhoff gengu lengra. Þeir fundu ný frumefni þegar þeir rákust á efni sem höfðu áður óþekkt litróf. 

Sesíum er eitt:

Rúbidíum er annað:

En orðin sesíum (caesium) og rúbidíum tákna einmitt liti. Sesíum merkir gráblátt og rúbidíum rautt. Enda voru efnin nefnd eftir þeim litum sem voru mest áberandi við bruna þeirra.

Sesíum-logi

Rúbidíum-logi

Munurinn er ekki alltaf greinilegur með berum augum en þegar litrófið er greint hefur hvert frumefni sitt einstaka fingrafar.

En hvernig tengist þetta tvennt?

Jú, til að gera langa sögu stutta er hægt að máta eyðurnar í litunum frá sólinni við litina sem frumefnin gefa frá sér. Ef maður finnur samsvörun er hægt að fullyrða að ljósið frá sólinni hafi farið í gegnum viðkomandi frumefni á leið sinni til jarðar. Sjáum t.d. eyður í venjulegu sólarljósi borið saman við litrófið sem verður til við bruna járns (Fe):

Járn smellpassar við eyðurnar í sólarljósi. Af því má draga þá ályktun að utan um sólina er ský sem inniheldur járngufu. Og af því leiðir að það er járn í sólinni.

Því á sama hátt og frumefni senda frá sér aðeins ákveðna liti þá geta þau líka aðeins gleypt í sig ákveðna liti við ákveðnar aðstæður.

Svona eins og maður getur ímyndað sér að í fjarlægum skógi búi úlfar sem borði aðeins kanínur og mýs, villikettir sem éta mýs og fugla og birnir sem éta ber og hunang.

Ef maður sendi nú körfu með berjum, hunangi, músum, fuglum og kanínum í gegnum skóginn og tæki á móti henni hinum meginn og sæi að í hana vantaði aðeins fugla og mýs – þá gæti maður fullyrt að villikettir hafi rekist á körfuna á leið hennar. Ef í körfuna vantar kanínur, mýs, ber og hunang, gæti maður vitað að karfan hefur orðið á vegi bjarna/r og úlfa en ekki katta.

Segjum svo að maður rækist á í útjaðri skógarins mink. Og maður kryfði hann og fyndi í maga hans kanínur og fiska – þá gæti maður bætt fiski í körfuna við frekari rannsóknir.

Með þessu móti vitum við hvaða efni eru í fjarlægum stjörnum. Við skoðum einfaldlega ljósið frá þim, greinum litróf þess og berum saman við litróf allra þekktra frumefna. Með þessu móti getur ljósið borið til okkar mikið magn upplýsinga.