Éppen 100 éve vitatkoztak a csillagászok a galaxisok természetéről

4769

1920. április 26-án az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos Akadémiája (National Academy of Sciences, NAS) washingtoni ülésén hangzott el két előadás, amely később a nagy vita (great debate) nevet kapta. Az előadásokban érintett kérdések megválaszolása az 1920-as évek során átalakította a Világegyetemről alkotott elképzelésünket.

A Shapley–Curtis-vitáról megemlékezett a Meteor csillagászati évkönyv idei kötete, valamint a 75 éves évfordulón a NASA is.

Az emberiség világról alkotott képe többször is jelentős változáson ment keresztül. Az ókorban és a középkorban a Világ a Földből, a hét égitestből (Nap, Hold, Merkúr, Vénusz, Mars, Jupiter, Szaturnusz) és a csillagok szférájából állt. A csillagszféra mögött nem volt semmi (esetleg a menny), tehát ez a világ véges volt. Kopernikusz, Brahe, Kepler, Galilei, Newton és mások munkássága után a XVII. század végére már végtelennek gondolták a Világot. Végtelen tér, néha egy-egy csillaggal. Ez a kép változott meg a XVIII. század végén, amikor William Herschel csillagszámlálásai alapján megállapította, hogy az ismert csillagok egy lapos korongban helyezkednek el. Ezt a csillagvárost hívjuk azóta is Tejútrendszernek.

Herschel világa csillagszámlálásai alapján

A XVIII-XIX. században a legtöbb csillagász a világító ködöket a Tejútrendszer részének tekintette. Kant volt az, aki azt gondolta, hogy a spirális alakú ködök talán ugyanolyan csillagvárosok, mint a mi Tejútrendszerünk. A könyvecske, amiben ezt közzétette, nem volt lényeges hatással a tudósvilágra. Annál inkább Laplace elképzelése, aki csillagok keletkezési helyének gondolta a spirálködöket. Így egészen az 1860-as évek végéig szinte mindenki ezt fogadta el. Később a híres spektroszkópus, Huggins megvizsgálta a ködök színképét, és azt találta, hogy a spirálködöké a csillagszínképekre hasonlít, míg sok más ködé a gázok színképére. Ez jó érv volt a spirálködök csillagvárosként való elképzelése mellett. Azonban 1885-ben az Androméda-ködben megjelent egy új csillag. Ma már tudjuk, hogy ez egy szupernóva volt. De a XIX. század végén még azt se tudták, hogyan termelnek energiát a csillagok. Nem ismerték az elemi részecskéket, sem az atommagot és annak szerkezetét. Nem csoda hát, hogy senki se gondolt arra, hogy léteznek olyan csillagok, amelyek heteken keresztül képesek túlragyogni akár a galaxisukat is.

A távcsöves felfedezéseket jelentős újítások is segítették. A fontosabbak közé tartozik a fényképezés és a színképelemzés. 1802-ben Wollaston volt az első, aki a Nap fényében sötét vonalakat látott. Később Fraunhofer 574 vonalat fedezett fel a Nap színképében. Kirchhoff és Bunsen 1859-ben felfedezték, hogy a gázok vonalas színképéből következtetni lehet anyagi minőségükre. Ennek alapján az égitesteket alkotó elemekre is lehet következtetni. Kirchhoff ezt a Napra is alkalmazta. Ekkor született meg az asztrofizika. A XX. század elején Slipher megvizsgálta néhány spirálköd spektrumát. A színképben megjelenő vonalak hullámhosszának Doppler-eltolódásából a ködök látóirányú átlagos sebességére a megszokott radiális sebességek többszörösét kapta, nagyjából 650 km/s értéket. De mért 1600 km/s értéket is. Néhány esettől eltekintve mindegyik köd távolodott tőlünk. Úgy látszott, hogy ha ezek a Tejútrendszerben is vannak, nincsenek gravitációsan kötve.

Henrietta Leavitt, aki 1895-ben került a Harvardra, azt a feladatot kapta, hogy a Nagy- és Kis-Magellán-felhő változócsillagait tanulmányozza. Leavitt 1912-ben kimutatta, hogy a Kis-Magellán-felhő 25 cefeidája esetén fényességük és fényességváltozásuk periódusideje között matematikai összefüggés állítható fel. Ennek segítségével lehetőség nyílt egy jó távolságmeghatározási módszer kidolgozására. Ennek kalibrálásához azonban meg kellett állapítani legalább egy, de inkább több (közeli) cefeida távolságát.

Harlow Shapley (1885-1972)

Ilyen előzmények után köszöntött be az 1920-as év, amikor a nagy vitát rendezték. A javaslattevő 1919 végén Hale, a nagy távcsőépíttető volt. Hale apja tiszteletére felajánlást tett a Nemzeti Tudományos Akadémián tartandó előadásokra. Javasolta, hogy az 1920-as washingtoni ülésen két előadás hangozzék el. Hale két témát javasolt, a szigetcsillagvilágok témáját, illetve a relativitáselméletet. Charles Abbottal, az akadémia titkárával történt egyeztetés után a Világegyetem mérete (The Scale of the Universe) címben maradtak.

A téma időszerű volt, hiszen Harlow Shapley nem sokkal korábban közölte elképzelését arról, hogy a Tejútrendszer szerinte sokkal nagyobb, mint addig gondolták, illetve a Naprendszer távol fekszik annak közepétől. Shapley, Hale meghívására a kaliforniai Mount Wilson Obszervatóriumban végzett kutatómunkát a gömbhalmazokkal kapcsolatban. A gömbhalmazok cefeida változóinak megfigyelésével megállapította a közeliek távolságát. Ezekben a cefeidák fényességét összehasonlította a vörös óriások és a szuperóriások fényességével, ezáltal megállapította azok abszolút magnitúdóját, ennek alapján pedig a távoli gömbhalmazok távolságát becsülte meg. Az akkor elterjedt nézet szerint a Nap a 7–15 ezer fényév méretű Tejútrendszer közepén foglal helyet. Shapley mérései szerint csillagvárosunk legalább hússzor ekkora, és a Naprendszer nem a központban, hanem attól lényegesen távolabb, mintegy 50 ezer fényévre található (a jelenlegi elfogadott érték kb. 26 500 fényév). Ezen eredményeket Shapley teljesen egyedül érte el, és közölte a mindenki által elfogadott nézetekkel szemben. Ezért őt hívták meg az egyik előadónak. A másik előadónak Heber Doust Curtist hívták meg. Curtis a Lick Csillagvizsgáló munkatársa volt, ahol fő feladata a ködök megfigyelése volt.

Heber Doust Curtis (1872-1942)

A nagy vita egyes részletei

Az előadások 1920. április 26-án hangzottak el Washingtonban. Shapley figyelembe vette, hogy a hallgatóság többsége nem volt szakcsillagász, ezért a legegyszerűbb fogalmakat is részletesen elmagyarázta. Curtis viszont szakmaibb előadást tartott, ezért a helyszíni benyomás az lehetett, hogy Curtis volt a szakszerűbb. Curtis nagy súlyt helyezett a spirálisokra, míg Shapley az előadás címére koncentrált, mekkora az Univerzum.

Néhány az érintett témák közül.

A gömbhalmazokban megfigyelt F, G és K típusú csillagokról Shapley azt állította, hogy F, G, K óriás csillagok. Ennek következtében a gömbhalmazok átlagos távolsága 10–30 kpc (33-98 ezer fényév). Curtis azt gondolta, hogy ezek a csillagok F, G, K törpék, tehát a gömbhalmazok átlagos távolsága 1–2 kpc (3-7 ezer fényév). Amikor a Palomar-hegyi 5 méteres Hale-távcsővel történt megfigyelésekkel a szín-fényesség diagramon már meg tudták figyelni a fősorozati töréspontot, kiderült, hogy alapvetően Shapley-nek volt igaza.

A gömbhalmazokban megfigyelt B típusú csillagokról Shapley azt állította, hogy 0 körüli az abszolút magnitúdójuk. Curtis azt állította, hogy valami probléma van az adatokkal, mert a Naprendszerhez közeli legfényesebb kék csillagok fényesebbek, mint a legfényesebb vörös csillagok, míg a gömbhalmazokban ez fordítva van. Walter Baade az 1940-es évek elején oldotta meg ezt a kérdést a kétféle csillagpopuláció felfedezésével. Tehát mind a két félnek igaza volt a saját állításában.

A cefeidák mint távolságindikátorok. Shapley a Nagy-Magellán-felhőben talált periódus-luminozitás relációt használta a gömbhalmazok távolságának a meghatározásához. A nullpont kalibrálásához néhány, a galaktikus síkban levő ismert távolságú cefeidát használt. Curtis szerint a galaktikus cefeidáknál nem bizonyított a periódus-luminozitás reláció. Több adat kell, állította. A megoldást ismét Baade szolgáltatta. Curtisnek igaza volt, hogy több adatra van szükség, de a több adat Shapley-t igazolta, a cefeidák jó távolságindikátorok, de tudni kell, hogy többfajta cefeida van.

A spirálködök égi eloszlása. Mint köztudott, a Tejút síkjában alig-alig látunk spirálködöket, míg a galaktikus pólusok környezetében hemzsegnek. Curtis szerint semmi nem zárja ki, hogy úgy, mint más spirálködök esetében, a galaktikus korongon kívül egy porgyűrű legyen, ami megakadályozza a távoli halvány ködök megfigyelését. Curtis nem járt nagyon messze a valóságtól, de elvétette a lényeget, hogy a porködök a csillagokkal összekeveredve a Tejútrendszer részei.

Nóvák abszolút fényessége. Mindketten egyetértettek abban, hogy nóva figyelhető meg a Tejútban és a spirálködökben. Shapley szerint az a feltételezés, hogy a spirálisok galaxisok, elfogadhatatlanul nagy fényességet eredményezne e csillagoknak. Curtis szerint, azonban a Tejútrendszer sokkal kisebb, így a spirálködök is, vagyis nincs gond a közelebbi, de Tejúton kívüli hasonló méretű galaxisokkal és a nóvákkal, illetve nem kizárt, hogy kétféle nóvatípus létezzen. Helytelen feltételezésből (a Tejút kis mérete) helyes sejtésre jutott. 1933-ban Baade és Zwicky alkotta meg a szupernóva szót és egy új osztályát a nóváknak.

Az M101 spirálgalaxis

A Slipher által mért nagy sebességekre a spirálködöknél egyikük se tudott helyes magyarázatot adni. Hubble-nek és Humasonnak az 1920-as évek végén tett megfigyelései nyomán sikerült a kérdést tisztázni (táguló Világegyetem).

A Napunk a Galaxis centrumában van? Shapley szerint nem. Szerinte a ma Gould-övnek nevezett csillagcsoportosulás becsapta a többieket. Curtis szerint a központban vagyunk. E témában Shapley-nek volt igaza.

A spirálisok forgása. Van Maanen mérései szerint a spirálködök forognak. Shapley szerint ez végzetes csapás a galaxis teóriának. Curtis egyetértett, de szerinte a mérés nem meggyőző, mivel a hiba megközelíti a mért értéket. Curtisnek lett igaza. Van Maanen jó barátja volt Shapley-nek, ezért Shapley könnyen hitt neki. Viszont a forgás kimutatása valóban perdöntő lett volna.

Mindketten győztek, és egyikük se

Nehéz eldönteni, kinek volt igaza. Van, aki úgy fogalmaz, hogy mindketten győztek, és egyik se győzött. A legtöbb szakirodalom megemlíti, hogy Shapley közelebb járt az igazsághoz a Tejútrendszer méretével kapcsolatban, valamint a Nap helyzetéről a Galaxisban. Curtisnek igaza volt a spirálködökkel kapcsolatban, és jól sejtette meg, hogy kétfajta nóva is létezhet. De mindketten tévedtek több dologban, pl. a csillagközi por elhanyagolhatóságát illetően. Shapley később így emlékezett vissza:

„Témánk a Világegyetem léptéke volt. Beszédemben erre készültem, és erről szóltam. Én úgy hiszem, megnyertem a vitát a megjelölt témában. Nekem volt igazam, és Curtis tévedett a legfontosabb dologban, a méretben. A Világegyetem nagy, ő pedig kicsinek gondolta. Curtis kezdettől fogva más témáról beszélt. Arról, hogy a spirálgalaxisok a mi rendszerünkben vagy rajta kívül vannak? Szerinte kívül vannak. Én pedig azt mondtam, hogy én nem tudom, mik azok, de a meglevő bizonyítékok szerint nem kívül vannak. De nem ez volt a megjelölt téma. Curtis szalmabábbal hadakozott, és azt legyőzte.”

Ezzel ellentétben az a nézet terjedt el, hogy Curtis legyőzte Shapley-t. Valóban igazságtalan Shapley-vel, hogy a köztudatban a spirálgalaxisok mibenlétét tekintik a vita egyetlen említésre méltó tárgyának. Curtis helyett egyébként más is érvelhetett volna, de talán senki nem helyettesíthette volna Shapley-t. Shapley teljesen egyedül határozta meg a gömbhalmazok távolságát a cefeidákra támaszkodva, és határozta meg a Galaxis központját mint távoli helyet. Megállapítható, hogy két jól felkészült szakcsillagász tartott egy-egy kiváló előadást, a kor legfrissebb eredményeit összefoglalva. Az 1920-as és részben az 1930-as években a két fő kérdés; a Galaxis mérete (és benne helyünk) és a spirálködök mibenléte és mérete nagy viták tárgyát képezte jelentős számú csillagász részvételével. De a „Nagy vita” kifejezés ezzel a témával kapcsolatban mindig az 1920-as két előadásra utalt. A 100 éves évfordulón érdemes megemlékeznünk arról, hogyan formálta a nagy vita és az általa generált további kutatások a Világról alkotott elképzelésünket.

Kapcsolódó irodalom

  • Ferris, T. 1985, A vörös határ. Gondolat, Budapest
  • Gribbin, J. 2004, A tudomány története. Akkord Kiadó, Budapest
  • Horváth, I. 2020, A Shapley–Curtis-vita. Meteor csillagászati évkönyv, MCSE
  • Horváth, I. 2020, The Great Debate. https://arxiv.org/abs/2001.00159
  • Hoskin, M. A. 1976, The ‘Great Debate’: What Really Happened. J. Hist. Astron. 7, 169-182
  • Shapley, H. Curtis, H. D. 1921, The Scale of the Universe. Bulletin of the National Research Council, 2, Part 3, 171-217
  • Trimble, V. 1995, The 1920 Shapley-Curtis Discussion: Background, Issues, and Aftermath. PASP, 107, 1133-1144
  • Whitney, C. A. 1978, A Tejútrendszer felfedezése. Gondolat, Budapest

A szerző Youtube előadásai a témáról:

Hozzászólás

hozzászólás