Wyjątkowa planeta. Dlaczego nasze położenie w Kosmosie umożliwia odkrycia naukowe ebook

SERIA INTELIGENTNY PROJEKT

Seria Inteligentny Projekt to pierwsza tak ambitna i bogata propozycja na polskim rynku wydawniczym, w ramach której ukazują się książki dotyczące teorii inteligentnego projektu – Intelligent Design (ID).

Autorzy zastanawiają się: Czy różnorodność życia na Ziemi może być wyjaśniona wyłącznie przez procesy czysto przyrodnicze? Czy złożone struktury biologiczne mogły powstać drogą przypadku i konieczności, bez udziału inteligencji? Czy Ziemia jest tylko jedną z wielu niczym niewyróżniających się planet?

Teoria inteligentnego projektu jest ogólną teorią rozpoznawania projektu i ma szerokie zastosowanie w takich dziedzinach nauki, jak kryminalistyka, historia, kryptografia, astronomia i inżynieria. Seria Inteligentny Projekt pokazuje, że koncepcja ID powinna być stosowana również w zagadnieniach pochodzenia i rozwoju różnych form życia, a także w próbie zrozumienia nas samych.

Argumenty obalające koncepcję szczęśliwego trafu w pewnych przypadkach mogą być przydatne do należytego porównania hipotez przypadku i projektu: można sobie wyobrazić, że przypadek i projekt rywalizują ze sobą, wywołując pewne rodzaje zdarzeń, my zaś potrafimy obliczyć prawdopodobieństwo tego, że owe zdarzenia są dziełem jednej z tych dwóch przyczyn.

Abraham de Moivre, Doctrine of Chances,[Teoria prawdopodobieństwa], 1718

Pamięci

Guillerma J. Gonzaleza

i

Josiaha Wesleya Richardsa

Przedmowa

Niezwykły urok gwiaździstego nieba nad nami, fantastyczny wygląd tęczy, surowe piękno zaćmień Słońca – wszystko to zawsze i wszędzie dawało ludziom inspirację, a ponadto przez większą część dziejów zjawiska te stanowiły dla nas zagadkę.

Tajemnice te już w pewnym sensie rozwikłaliśmy. Naukowcy rutynowo dokonują pomiarów odległości od gwiazd. Wiemy, jak światło słoneczne, przenikające miliony kropelek wody zawieszonych w atmosferze, tworzy tęczę. Potrafimy co do sekundy przewidzieć czas i miejsce zaćmień Słońca na długo przed ich wystąpieniem w dowolnej lokalizacji na Ziemi.

Odkrycia te prowadzą jednak do jeszcze głębszych tajemnic. Dlaczego nasz świat, począwszy od naszego lokalnego i galaktycznego środowiska, a skończywszy na stałych fizycznych, jest tak urządzony, że możemy obserwować gwiazdy, tęcze i zaćmienia Słońca? Przecież nasza zdolność do obserwowania tych zjawisk nie jest logicznie konieczna do naszego istnienia. Wszechświat z pewnością mógłby być inny.

W 2004 roku, w którym po raz pierwszy opublikowaliśmy tę książkę, połączyliśmy fakty. Argumentowaliśmy, że najdogodniejsze miejsca dla złożonych form życia, które jednocześnie rzadko występują we Wszechświecie, są również najlepiej dostosowane do dokonywania odkryć naukowych. Przekonywaliśmy też, że świadczy to o kosmicznym spisku, nie zaś jedynie o zbiegu okoliczności. Hipotezę tę chcieliśmy sprawdzić w odniesieniu do najlepiej ugruntowanych danych naukowych. Nie próbowaliśmy uodpornić jej na nowe odkrycia. Wręcz przeciwnie – podjęliśmy ryzyko i sformułowaliśmy przewidywania dotyczące przyszłych odkryć.

Jakie były losy naszego argumentu? Uwzględnienie wszystkich nowych danych empirycznych wymagałoby publikacji nowego wydania książki. Poniżej zamieszczamy jednak krótki przegląd tego, co przyroda ujawniła nam przez ostatnie 15 lat.

Książkę rozpoczęliśmy od rozważenia, dlaczego możemy obserwować doskonałe zaćmienia Słońca. Jest tak dlatego, że z powierzchni Ziemi Słońce i Księżyc zdają się mieć taką samą wielkość. Koincydencja ta znana jest od dawna, ale wciąż wprawia uczonych w osłupienie. Siedem lat po publikacji Wyjątkowej planety John Gribbin, w książce Alone in the Universe: Why Our Planet Is Unique [Osamotnieni we Wszechświecie. Dlaczego nasza planeta jest wyjątkowa], zauważył:

Obecnie Księżyc jest około 400 razy mniejszy od Słońca, ale Słońce znajduje się 400 razy dalej od Księżyca, przez co na niebie mają taką samą wielkość. Znajdujemy się w takim momencie kosmicznego czasu, w którym w trakcie zaćmienia tarcza Księżyca niemal całkowicie zakrywa tarczę Słońca. W przeszłości Księżyc wyglądał na niebie na znacznie większy i podczas zaćmień zupełnie zasłaniał Słońce. W przyszłości Księżyc widziany z Ziemi będzie wydawał się znacznie mniejszy i pierścień światła słonecznego będzie widoczny nawet w trakcie zaćmienia. Nikt nie wie, dlaczego istoty inteligentne, zdolne do obserwowania tak niezwykłego zjawiska, wyewoluowały na Ziemi właśnie w czasie występowania tego zbiegu okoliczności. Mnie to intryguje, ale większość ludzi najwyraźniej uznaje to za coś normalnego[1].

Gribbin najwidoczniej nie przeczytał Wyjątkowej planety albo wolał się do tego nie przyznawać.

Wprawdzie przeanalizowaliśmy to zagadnienie szczegółowo, ale dwie kwestie pozostawiliśmy bez rozwiązania. Przede wszystkim, chociaż wykazaliśmy, że zaćmienia Słońca widziane z powierzchni Ziemi są lepsze niż te oglądane z innych planet obieganych przez księżyce, to nie rozpatrzyliśmy, jak wyglądałyby zaćmienia Słońca z punktu widzenia innych księżyców. Gdy jeden księżyc zasłania inny, orbitujący wokół tej samej planety, występuje tak zwane wzajemne zaćmienie – takie zjawiska zachodzą w przypadku planet zewnętrznych mających liczne księżyce, takich jak Jowisz. Jeden z nas (Guillermo) badał wzajemne zaćmienia w Układzie Słonecznym i ustalił, że ziemskie zaćmienia Słońca rzeczywiście są najlepsze. Wyniki tych badań opublikowano w 2009 roku[2].

Wyjaśniliśmy, dlaczego pozorne wielkości Słońca i Księżyca są dokładnie takie same, a od tego czasu inni dostrzegli kolejne ważne następstwa. W tym samym roku, w którym ukazała się Wyjątkowa planeta, Dave Waltham z Uniwersytetu Londyńskiego opublikował artykuł, w którym argumentował, że względnie duży rozmiar Księżyca w stosunku do Ziemi można wyjaśnić precyzyjnym skalibrowaniem jego masy tak, aby stabilizował oś obrotu Ziemi[3]. W późniejszym artykule przedstawił argumenty na rzecz tezy, że rozmiar Księżyca jest doskonale dostosowany również do regulowania ziemskiego klimatu[4].

W tej książce omawiamy też, pod jakimi względami Ziemia stanowi dogodną scenerię dla dokonywania odkryć naukowych. Przekonujemy na przykład, że łatwo dostępne, występujące w dużych ilościach i różnorodne ziemskie minerały oraz paliwa kopalne umożliwiły powstanie techniki. Robert Hazen, geolog pracujący na Uniwersytecie George’a Masona oraz w Laboratorium Geofizycznym Waszyngtońskego Instytutu im. Carnegiego, przedstawił ilościowe argumenty na rzecz wyjątkowości ziemskich zasobów mineralnych. W wydanej w 2012 roku książce Historia Ziemi. Od gwiezdnego pyłu do żyjącej planety Hazen zauważył, że na Ziemi występuje większa różnorodność gatunków minerałów niż na jakimkolwiek innym ciele niebieskim w Układzie Słonecznym[5]. Ziemia ma 4600 gatunków minerałów. Na Marsie jest ich około 500, a na Wenus – blisko 1000. Hazen odkrył również, że około dwóch trzecich ziemskich gatunków minerałów powstało w wyniku działania procesów życiowych.

Na ten temat można, rzecz jasna, powiedzieć znacznie więcej. Nasze omówienie należy uznać co najwyżej za przystawkę. Danie główne stanowią natomiast książki Michaela J. Dentona wydane ostatnio w ramach serii „Privileged Planet”: Fire-Maker: How Humans Were Designed to Harness Fire and Transform our Planet (2016) [Władca ognia. Dlaczego ludzie potrafią okiełznać ogień i przekształcać naszą planetę][6], The Wonder of Water: Water’s Profound Fitness for Life on Earth and Mankind (2017) [Cud wody. Kompleksowe dostosowanie wody do ziemskiego życia i człowieka][7] orazChildren of the Light: Astonishing Properties of Sunlight that Make Us Possible (2018) [Dzieci światła. Zdumiewające właściwości światła słonecznego, dzięki którym możemy istnieć][8]. Jeśli nasza książka jedynie zaostrzy twój apetyt, to zachęcamy do przeczytania trylogii Dentona.

W naszej książce wybiegamy poza Układ Słoneczny i przedstawiamy też zagadnienie egzoplanet. Omówienie to jest krótkie i ma charakter wstępny, ponieważ w czasie pierwszego wydania Wyjątkowej planety znano zaledwie około 100 tego typu obiektów[9]. Od tego momentu liczba potwierdzonych egzoplanet gwałtownie rosła, podwajając się co około 27 miesięcy. Obecnie potwierdzono odkrycia ponad 4000 egzoplanet.

W 2004 roku nie wiedzieliśmy, czy tylko Ziemia jest zamieszkiwalna, i do tej pory nic się w tym względzie nie zmieniło. Dla wielu ludzi już sama liczba nowo odkrytych planet gwarantuje, że w naszej galaktyce istnieją planety ziemiopodobne. Jednak wyniki badań astrobiologicznych przeprowadzonych w ostatnich 15 latach przeczą temu przekonaniu i w gruncie rzeczy potwierdzają nasz pogląd, zgodnie z którym planety ziemiopodobne występują bardzo rzadko[10]. Jeśli chodzi o odległy kosmos, to należy odnotować, że ogólna teoria względności zyskała nowe potwierdzenia za sprawą pierwszej detekcji fal grawitacyjnych, której dokonano w 2015 roku, i pierwszego – wykonanego w 2019 roku – (syntetycznego) obrazowania regionu wokół supermasywnej czarnej dziury. Dlaczego te odkrycia są ważne? Otóż dlatego, że ogólna teoria względności stanowi fundament kosmologii Wielkiego Wybuchu, która wskazuje na to, że Wszechświat miał początek. W tej książce dochodzimy do wniosku, że żyjemy nie tylko w czasie, który nazywamy kosmiczną epoką zamieszkiwalną – co nie powinno zresztą dziwić – ale również w czasie najdogodniejszym do zajmowania się kosmologią. Obecnie najłatwiej jest nam bowiem zdobyć wiedzę o początku ekspansji kosmosu.

W 2007 roku nasz pogląd otrzymał wsparcie z nieoczekiwanego źródła. Ateista i kosmolog Lawrence Krauss (razem z Robertem Scherrerem, kosmologiem z Uniwersytetu Vanderbilta) opublikował nagrodzony artykuł na temat tego, że w odległej przyszłości kosmosu ważne informacje dotyczące Wszechświata będą ulegać zatarciu. Warto przytoczyć długi fragment zakończenia tej publikacji:

Niezwykły kosmiczny zbieg okoliczności, że żyjemy w jedynym okresie historii Wszechświata, kiedy wartości gęstości ciemnej energii i ciemniej materii są porównywalne, stanowi podstawę wielkich współczesnych spekulacji prowadzących do powtórnego zainteresowania możliwymi argumentami antropicznymi mającymi na celu zawężenie wartości energii próżni. [...] Koincydencja ta ujawnia jednak kolejną szczególną cechę naszej obecnej epoki – to mianowicie, że możemy wyprowadzić wniosek zarówno o istnieniu ekspansji kosmosu, jak też o istnieniu ciemnej energii. Znajdujemy się więc na bardzo szczególnym etapie ewolucji Wszechświata: w chwili, kiedy możemy obserwacyjnie potwierdzić, że żyjemy w bardzo szczególnym okresie kosmicznej ewolucji!

Gdyby Wszechświat był o rząd wielkości młodszy, to obserwatorzy nie mogliby odkryć wpływu ciemnej energii na ekspansję, zaś obserwatorzy żyjący we Wszechświecie o rząd wielkości starszym będą mieli trudności ze zdobyciem wiedzy o tym, że w ogóle żyjemy w rozszerzającym się Wszechświecie lub że ekspansja zdominowana jest przez oddziaływanie ciemnej energii. Do tego czasu najdłużej istniejące gwiazdy ciągu głównego znajdą się u kresu swojego życia, Wszechświat – praktycznie rzecz biorąc – będzie wydawać się statyczny, a wszystkie dane empiryczne tworzące fundament naszej aktualnej wiedzy kosmologicznej ulegną zatarciu[11].

W 2004 roku umknęło nam, że już w 1987 roku Tony Rothman i George F.R. Ellis rozmyślali nad alternatywnymi światami, w których badania kosmologiczne wiodłyby nas na manowce. „Możliwe jest nawet – stwierdzili w ostatnim zdaniu swojego artykułu – istnienie wszechświatów, w których życie powstaje tylko wtedy, gdy obserwacje prowadzą do zwodniczej wiedzy kosmologicznej”[12].

Wszystkie te ustalenia, pod tym lub innym względem, wspierają elementy naszej argumentacji. W zeszłym roku dostrzegliśmy jeszcze jeden ważny aspekt. Mówiąc w skrócie, Ziemia (jak zresztą cały Układ Słoneczny) stanowi doskonałą bazę dla podróży kosmicznych[13]. Możliwość wylądowania człowieka na Księżycu i wysłania sond na wszystkie planety Układu Słonecznego wymagała zbiegnięcia się wielu czynników. Na Ziemi występuje, w postaci wody, jedno z najlepszych paliw rakietowych (wodór oraz tlen). Mieszkańcy planet tylko nieco masywniejszych od Ziemi musieliby znacznie bardziej się natrudzić, by zbudować rakiety, które mogłyby przenosić duże ładunki w przestrzeń kosmiczną. Prowadzenie misji międzygwiezdnych sprawiałoby znacznie większe problemy istotom żyjącym na planetach położonych w strefach zamieszkiwalnych mniej masywnych rodzimych gwiazd. Tak się składa, że nasz Układ Słoneczny znajduje się w takim miejscu swojej orbity wokół centrum galaktyki (pełny obieg zajmuje mu 225 milionów lat), które jest najdogodniejsze do odbywania podróży międzygwiezdnych do pobliskich gwiazd. I akurat właśnie w tym czasie uświadomiliśmy sobie, że takie podróże są w ogóle możliwe.

Pracując nad tą książką u zarania nowego tysiąclecia, zamierzaliśmy zaproponować coś więcej niż tylko nową hipotezę. Chcieliśmy dołożyć cegiełkę do powiększającego się gmachu argumentów na rzecz istnienia celowości i projektu we Wszechświecie. Nasz argument opiera się na zdumiewającym fakcie pokrywania się warunków koniecznych do istnienia życia i warunków umożliwiających odkrycia naukowe. Tak się składa, że te rzadko występujące miejsca, w których mogą istnieć obserwatorzy, stanowią zarazem najlepsze ogólne miejsca do prowadzenia obserwacji. Ten wzorzec, jak przekonujemy, ma znacznie więcej sensu, jeśli Wszechświat został zaprojektowany tak, by można było dokonywać odkryć naukowych. Pogląd przeciwny wydaje się mniej adekwatny. Tak więc nasz argument na rzecz projektu w żadnym razie nie jest antynaukowy, wskazuje bowiem na to, że świat jest do odkryć naukowych wręcz stworzony!

Być może nieco naiwnie podeszliśmy do kwestii potencjalnej wrogości i metafizycznej paniki, które nasza książka mogła wywołać wśród samozwańczych obrońców nauki i ateistycznych profesorów religii. W latach po jej publikacji ich ataki miały dla nas – zwłaszcza dla Guillerma, zawodowego astronoma i wykładowcy – poważne reperkusje.

Nie chcemy jednak wdawać się tutaj w szczegóły. Wspomnimy jedynie, że żaden z takich przeprowadzonych w złej wierze ataków nie podważył naszej argumentacji lub popierających ją danych empirycznych. Wręcz przeciwnie – nieustannie pojawiają się nowe świadectwa przemawiające za naszą hipotezą. Cieszy nas, że jej los możemy powierzyć przyszłym odkryciom naukowym. Jesteśmy też wdzięczni za to, że książka, w której przedstawiliśmy naszą argumentację, wciąż jest czytana i dyskutowana.

CZĘŚĆ I

NASZE LOKALNE ŚRODOWISKO

Rozdział 1

Wspaniałe zaćmienia

Może to był warunek konieczny życia planetarnego:nasze słońce musi się wpasować w nasz księżyc.

– Martin Amis[1]

Natchnienie

Dzień, na który długo czekałem, nastał 24 października 1995 roku[2]. Ja i kilku innych astronomów z naszej grupy obudziliśmy się o 5:00 nad ranem. Był to chłodny, bezchmurny poranek w Neem Ka Thana, niewielkim indyjskim miasteczku w suchym regionie Radżastanu. Było to wspaniałe miejsce do obserwacji zaćmienia. O godzinie 6:00 podążyłem w kierunku wyznaczonego terenu na miejscowym dziedzińcu szkolnym i przygotowałem swoje przyrządy obserwacyjne. Dookoła mnie znajdowało się kilka innych stanowisk obserwacyjnych, a przy każdym z nich obecna była inna grupa astronomów. Niektórzy przygotowali swoje stanowiska z kilkutygodniowym wyprzedzeniem, umieszczając je na stabilnych, betonowych podstawach. Towarzyszyły nam ekipy radiowe i telewizyjne oraz setki ciekawskich gapiów, którzy przypatrywali się nam niczym rzadkim okazom w zoo. Dołączyłem do ekspedycji na zaproszenie Indyjskiego Instytutu Astrofizyki w Bengaluru. Mimo że obserwacja zaćmienia nie była głównym powodem mojej wizyty w Indiach, nie mogłem przegapić tak niezwykłej okazji.

Ściśle rzecz biorąc, z zaćmieniami jest podobnie jak z płatkami śniegu – nie sposób zaobserwować dwóch identycznych przypadków. Niemniej astronomowie rozróżniają trzy rodzaje zaćmień: częściowe, obrączkowe i całkowite. Przy zaćmieniu częściowym Księżyc nie zasłania zupełnie jasnej fotosfery Słońca[3]. W przypadku zaćmienia obrączkowego środek Księżyca może przechodzić bardzo blisko środka Słońca, ale tarcza Księżyca jest zbyt mała, by mogła zakryć fotosferę naszej gwiazdy. Aby można było mówić o zaćmieniu całkowitym, z perspektywy powierzchni Ziemi tarcza Księżyca musi całkiem zasłonić jasną tarczę Słońca. Ten ostatni rodzaj zaćmienia jest przedmiotem największego zainteresowania. Obserwatorzy znajdujący się daleko od „linii centralnej” zaćmienia widzą jedynie zaćmienie częściowe. Niebo zostaje wyraźnie zaciemnione tylko w przypadku zaćmienia całkowitego i bardzo do niego podobnego zaćmienia obrączkowego, natomiast dostrzeżenie niesamowitej, zaróżowionej chromosfery i srebrnobiałej korony jest możliwe jedynie w przypadku zaćmienia całkowitego. Wówczas chromosfera przypomina delikatną, postrzępioną koronę z różowymi płomieniami iskrzącymi się dookoła niej, niczym ognista obręcz. Korona jest najdalej wysuniętą częścią atmosfery Słońca, która rozciąga się kilka stopni dalej niż chromosfera.

Byłem świadkiem licznych zaćmień częściowych – włączając w to dwa zaćmienia obrączkowe w latach 1984 i 1994 – ale po raz pierwszy miałem okazję (i dotychczas jedyną) do obserwowania całkowitego zaćmienia Słońca. Przeprowadzony przeze mnie eksperyment był prosty: zamierzałem dokonać pomiaru zmian warunków atmosferycznych, takich jak temperatura, ciśnienie i wilgotność, a także sfotografować to zdarzenie za pomocą małoobrazkowego aparatu z teleobiektywem.

Wszystko zakończyło się pełnym sukcesem. Wspaniała pogoda, która panowała zarówno tego, jak i poprzedniego dnia, umożliwiła mi porównanie zmian meteorologicznych podczas zaćmienia[4]. W trakcie 51 sekund trwania fazy całkowitej zaćmienia, czyli kiedy Księżyc w całości zasłania Słońce, zdołałem wykonać 30 zdjęć. Długie włókna koronalne były wyraźnie widoczne gołym okiem (por. ilustr. 3). Byłem niestety tak zajęty robieniem zdjęć, że na zaćmione Słońce spojrzałem gołym okiem tylko przez chwilę. To, co najciekawsze, widziałem przez wizjer aparatu – obserwatorzy zaćmień zawsze na to narzekają.

Doświadczenie całkowitego zaćmienia Słońca to coś znacznie więcej niż po prostu zobaczenie go. Takie wydarzenie pobudza wszystkie zmysły. Jest to w równiej mierze skutkiem nagłego spadku temperatury, jak i widoku zasłoniętego Słońca oraz westchnięć „och” i „ach” dobiegających z tłumu. Kiedy tylko zaćmienie dobiegło końca, rozległy się gromkie brawa, jak gdyby był tam gdzieś choreograf, któremu dziękowano za dobrze opracowany układ ruchów tanecznych w balecie.

To było dopiero czwarte całkowite zaćmienie Słońca, które można było zaobserwować w Indiach w XX wieku, dlatego też byłem zaskoczony zainteresowaniem, jakie wzbudziło ono w tym kraju. Telewizja państwowa relacjonowała to wydarzenie, umieszczając swoje ekipy na trzech lub czterech stanowiskach wzdłuż linii zaćmienia. Jedna z nich znajdowała się przy naszym stanowisku. Kolega podarował mi kasetę z nagranym materiałem, zanim jeszcze opuściłem Indie. Wielu uczonych udzieliło wywiadów na temat naukowych aspektów zaćmień Słońca. Inni mówili o znaczeniu zaćmień w mitologii indyjskiej i związanych z nimi przesądami. Wydaje się, że telewizja usiłowała pokazać światu obraz Indii jako kraju, w którym porzucono religijne zabobony i skierowano się w stronę oświecenia. Niemniej powszechnie obecne przesądy spowodowały, że część ludzi – zwłaszcza kobiet w ciąży – nie opuściła domów podczas zaćmienia, a więc telewizja nie odniosła w tym względzie pełnego sukcesu.

Byli tam również obecni astronomowie amatorzy i łowcy zaćmień – ludzie, którzy usiłują zobaczyć tak wiele całkowitych zaćmień Słońca, jak to tylko możliwe. Serge Brunier, który zalicza się do grona łowców zaćmień, wyjaśnił w swojej książce Glorious Eclipses: Their Past, Present, and Future [Cudowne zaćmienia: ich przeszłość, teraźniejszość i przyszłość], co nimi kieruje:

Kiedy miałem 12 lat, astronomia stała się moją pasją. Przez długi czas zaćmienia były dla mnie jedynie datami w efemerydach. Swoją pierwszą profesjonalną obserwację zaćmienia całkowitego przeprowadziłem dopiero w wieku 33 lat – miało to miejsce 11 lipca 1991 roku w obserwatorium na szczycie wulkanu Mauna Kea na Hawajach.

Nie będzie w tym przesady, jeśli powiem, że natychmiast stałem się pasjonatem zjawisk astronomicznych, za którymi przez te wszystkie lata i miesiące podążałem niemal po całej planecie. Za każdym razem czułem się równie zdumiony i coraz bardziej byłem przekonany, że zaćmienia są czymś więcej niż tylko zjawiskami astronomicznymi i że zapewniane przez nie głębokie doznania – mieszanka szacunku i zrozumienia przyrody – dalece wykraczają poza zwykłe przeżycia estetyczne[5].

Brunier w sposób następujący opisał swoje pierwsze doświadczenie całkowitego zaćmienia Słońca:

Widok jest tak oszałamiający, nieziemski i zachwycający, że do oczu wszystkich obserwatorów napływają łzy. To nie jest prawdziwa ciemność, a jedynie delikatny półmrok otulający wulkan Mauna Kea. Wzdłuż grani, pod tarczą Księżyca, stoją srebrzyste kopuły przypominające upiorne zarysy świątyni niebios. Korona Słońca mieni się blaskiem nie z tego świata. Rozściela ona swój prześwitujący, delikatny welon wokół mrocznej otchłani Księżyca. To niezapomniana chwila[6].

Astronomowie amatorzy, którzy podróżowali po świecie w celu obserwacji zaćmień Słońca, powiedzieli mi, że reakcje zawsze były takie same. Mieszkańcy i przyjezdni badacze w równym stopniu odczuwali podziw, a często też wzruszenie. Chociaż z dokładnością co do sekundy jesteśmy w stanie przewidzieć czas i wskazać dogodne miejsce obserwacji całkowitych zaćmień Słońca, to nie tłumi to naszych najgłębszych reakcji emocjonalnych powodowanych ich widokiem. Nie powstrzymuje to również współczesnych astronomów, takich jak Brunier, od przedstawiania tego najbardziej fizycznego ze zjawisk jako czegoś nieziemskiego i duchowego. Czy w całkowitych zaćmieniach Słońca jest coś więcej niż tylko mechanika układu Ziemia–Księżyc–Słońce? Czy istnieje jakiś głęboki związek między możliwością ich obserwacji a inteligentnym życiem na Ziemi? Wierzymy, że tak właśnie jest.

Fizyka Księżyca

Rozważmy na wstępie pewien mało znany fakt: duży księżyc stabilizuje oś obrotu swojej rodzimej planety, zapewniając bardziej zrównoważony i przyjazny życiu klimat. Nasz Księżyc powoduje, że nachylenie (pochylenie) osi Ziemi – kąt między osią jej obrotu a umowną osią prostopadłą do płaszczyzny, w jakiej orbituje ona Słońce – nie ulega większym zmianom[7]. Większe nachylenie osi obrotu powodowałoby większe zmiany klimatu[8]. Nachylenie osi Ziemi wynosi obecnie 23,5 stopnia i na przestrzeni kilku tysięcy lat wahało się między 22,1 a 24,5 stopnia. Aby proces stabilizacji przebiegał skutecznie, masa Księżyca musi stanowić odpowiedni ułamek masy Ziemi. Niewielkie ciała niebieskie – jak dwa księżyce Marsa o kształcie ziemniaków, Fobos i Deimos – byłyby niewystarczające. Gdyby rozmiar naszego Księżyca był taki jak wielkość księżyców Marsa, to nachylenie osi Ziemi wahałoby się nie w granicach 3 stopni, lecz ponad 30 stopni. Może nie wyglądać to na coś, czym warto zawracać sobie głowę, ale powiedzmy to komuś, kto usiłuje przetrwać na Ziemi o nachyleniu osi wynoszącym 60 stopni. Kiedy w środku lata biegun północny pochylałby się w stronę Słońca przez pół roku, większość półkuli północnej przez wiele miesięcy niezmiennie byłaby wystawiona na działanie upalnego światła dziennego. Na wysokich północnych szerokościach geograficznych panowałoby palące ciepło, tak duże, że Dolina Śmierci[9] w lipcu mogłaby się wydawać wymarzonym miejscem na wiosenny piknik. Ci, którzy zdołaliby to przetrwać, przez drugą połowę roku musieliby znosić przeraźliwie mroźne miesiące nieustających ciemności.

Zagrożenia dla życia mogą być jednak powodowane nie tylko przez duże nachylenie osi Ziemi. W przypadku Ziemi małe nachylenie może prowadzić do bardzo łagodnych pór roku, ale także do ograniczenia zasięgu opadów deszczu, tak potrzebnego do życia. Przy nachyleniu osi równym 23,5 stopnia wzorce wiania wiatru na Ziemi ulegają zmianie w przeciągu roku, sprowadzając sezonowe monsuny do rejonów, które w przeciwnym razie stale pozostawałyby suche. Dzięki temu na tych obszarach występują przynajmniej względnie niewielkie opady deszczu. Na planecie mającej małe lub zerowe nachylenie osi prawdopodobnie występowałyby rozległe suche obszary.

Księżyc sprzyja życiu również przez oddziaływanie na ziemskie pływy oceaniczne. Na skutek ich występowania składniki pokarmowe z lądu mieszają się z tymi w oceanach, tworząc bujną strefę przybrzeżną, gdzie ląd okresowo znajduje się pod wodą morską. (Siła pływów bez udziału Księżyca spadłaby o dwie trzecie – występowałyby wówczas jedynie regularne pływy słoneczne). Do niedawna oceanografowie sądzili, że cała energia z pływów księżycowych jest rozpraszana w płytkich rejonach oceanów. Okazuje się jednak, że około jedna trzecia energii pływów wydatkowana jest w rejonach głębin oceanów o zróżnicowanej rzeźbie terenu, co może stanowić główną siłę napędową prądów oceanicznych[10]. Silne prądy oceaniczne regulują klimat przez cyrkulację ogromnych mas ciepła[11]. Seattle bez udziału pływów księżycowych bardziej przypominałoby północne rejony Syberii niż bujną krainę w Emerald City[12].

Pochodzenie Księżyca jest również ważną częścią historii życia na Ziemi. Najpopularniejszy współcześnie scenariusz jego powstania postuluje, że doszło do zderzenia bocznego między ciałem, którego masa kilkakrotnie przewyższała masę Marsa, a proto-Ziemią[13]. Ta ogromna kolizja mogła pośrednio przyczynić się do powstania życia. Prawdopodobnie miała ona wpływ na proces kształtowania żelaznego jądra Ziemi przez stopienie planety, które umożliwiło całkowite wsiąknięcie płynnego żelaza do jej wnętrza[14]. To z kolei mogło być warunkiem koniecznym do utworzenia silnego pola magnetycznego, które pełni funkcję tarczy obronnej życia – do tego tematu powrócimy w dalszej części książki. Ponadto gdyby w skorupie ziemskiej pozostała większa ilość żelaza, dłużej trwałby proces wzbogacania atmosfery w tlen (utlenowania), ponieważ każdy atom żelaza na powierzchni łączyłby się ze swobodnym atomem tlenu w atmosferze. Uważa się również, że na skutek zderzenia doszło do usunięcia części pierwotnej skorupy ziemskiej. Gdyby tak się nie stało, jej duża grubość mogłaby uniemożliwić tektonikę płyt, która stanowi kolejny istotny warunek istnienia planety zamieszkiwalnej. Krótko mówiąc, gdyby Ziemia nie miała Księżyca, nie byłoby nas tutaj[15].

Aby doszło do zaćmienia, trzeba – inaczej niż do tanga – trojga: gwiazdy, planety i jej księżyca. Jeśli tylko mają one właściwe względne rozmiary i oddalenie od siebie, to zaćmienia całkowite mogą występować także przy mniejszym lub większym księżycu czy gwieździe. Między dwoma czynnikami może jednak istnieć ogromna różnica, mianowicie między zamieszkiwalnością rodzimej planety a użytecznością zaćmień dla nauki. Zacznijmy od zagadnienia zamieszkiwalności, czyli warunków sprzyjających życiu.

Zamieszkiwalność zmienia się radykalnie w zależności od wielkości planety i jej rodzimej gwiazdy, a także ich oddalenia względem siebie. Istnieją dobre powody, aby przypuszczać, że gwiazda podobna do Słońca jest konieczna do istnienia złożonych form życia[16]. Gwiazda o większej masie ma krótszy czas życia i szybciej zwiększa swoją jasność, natomiast gwiazda o mniejszej masie emituje mniej energii i dlatego planeta musiałaby krążyć wokół niej w mniejszej odległości, aby woda na jej powierzchni mogła utrzymać się w stanie ciekłym. (Pas dookoła gwiazdy, w obrębie którego planeta skalista musi się poruszać, aby występowała na niej ciekła woda, nazywany jest okołogwiazdową strefą zamieszkiwalną[17]). Orbitowanie zbyt blisko rodzimej gwiazdy szybko prowadzi jednak do pojawienia się obrotów synchronicznych lub „rotacji synchronicznej”, w której jedna strona planety jest bezustannie zwrócona w kierunku swojej rodzimej gwiazdy. (Nawiasem mówiąc, Księżyc właśnie w ten sposób porusza się po swojej orbicie dookoła Ziemi). Prowadzi to do ogromnych zmian temperatury między dzienną a nocną stroną planety. Nawet gdyby wąski pas – granica między dniem a nocą, zwana terminatorem – był zamieszkiwalny, to z życiem wokół mniej masywnej gwiazdy wiązałby się szereg innych problemów (więcej na ten temat w rozdziale siódmym).

Gdyby księżyc planety był bardziej oddalony, to musiałby być większy od naszego Księżyca, aby generować podobną energię pływów i odpowiednio stabilizować planetę[18]. Ponieważ jednak nasz Księżyc jest już nietypowo duży w porównaniu z wielkością Ziemi, należy więc przypuszczać, że istnienie większego księżyca jest mniej prawdopodobne. Mniejszy księżyc musiałby znajdować się bliżej planety, ale wówczas byłby zapewne mniej okrągły, co również powodowałoby różne problemy.

Jeżeli chodzi o rodzimą planetę, to powinna ona mieć wielkość zbliżoną do rozmiaru Ziemi, aby mogła utrzymywać się na niej tektonika płyt, aby niektóre tereny znajdowały się powyżej poziomu oceanu oraz aby istniała na niej atmosfera (więcej na ten temat w rozdziale trzecim). Planeta potrzebuje minimalnego oddziaływania pływowego księżyca, aby nachylenie jej osi obrotu było stabilne. Dlatego też większa planeta potrzebowałaby większego księżyca. Tak więc pośrednio nawet rozmiar Ziemi jest istotny dla geometrii układu Ziemia–Słońce–Księżyc i jego wpływu na zamieszkiwalność naszej planety. Krótko mówiąc, warunki umożliwiające istnienie złożonego życia na Ziemi w dużej mierze pokrywają się z warunkami koniecznymi do obserwacji całkowitych zaćmień Słońca.

Superzaćmienia i zaćmienia doskonałe

Co by było, gdyby Księżyc był dużo bliżej Ziemi, jak to miało miejsce w odległej przeszłości? Mniej więcej 2,5 miliarda lat temu Księżyc znajdował się – średnio rzecz biorąc – około 13 procent bliżej Ziemi niż teraz[19]. Całkowite zaćmienia Słońca, które będziemy nazywać superzaćmieniami, występowały wówczas częściej i były widoczne z większego obszaru powierzchni Ziemi. W takim przypadku różowa chromosfera i najniższe warstwy korony słonecznej są widzialne przez krótki czas, jedynie na początku i pod koniec fazy całkowitej zaćmienia. Współcześnie możemy obserwować całą chromosferę przez większą część trwania tej fazy.

Istnieje pewien rodzaj zaćmienia, podczas którego rozległa atmosfera Słońca jest całkowicie widoczna przez niemal minutę. Zaćmienie tego rodzaju miało miejsce 24 października 1995 roku, kiedy czarna tarcza Księżyca ledwie zasłaniała jasną fotosferę Słońca[20]. Takie zaćmienia określamy mianem „zaćmień doskonałych”, ponieważ trwają na tyle długo, by obserwator miał szansę na uzyskanie z nich dużej ilości informacji. Rozmiar Księżyca jest w tym przypadku wystarczający, aby przykryć jasną fotosferę, ale nie na tyle duży, aby zasłonić barwną chromosferę. Przy krótszym zaćmieniu całkowitym niebo jest jaśniejsze, a tym samym mamy mniej czasu, aby nasze oczy przywykły do ciemności, a wtedy nikła zewnętrzna część korony Słońca jest trudno dostrzegalna. Nieco większy Księżyc zapewniałby dłuższe zaćmienia, ale zasłaniałby chromosferę, która ma dużą wartość naukową.

Nawet gdyby Księżyc był mniej okrągły, to nadal cieszylibyśmy się widokiem zaćmień Słońca (o ile tylko oś mała spłaszczonego Księżyca wyglądałaby na większą od Słońca). Takie zaćmienia byłyby jednak mniej doskonałe, ponieważ w połowie fazy całkowitej zaćmienia chromosfera byłaby zasłonięta wzdłuż osi wielkiej. Tak się składa, że Księżyc i Słońce są dwoma najbardziej okrągłymi ze znanych nam ciał niebieskich w Układzie Słonecznym. Żadne z nich nie ma oczywiście kształtu kuli w sensie geometrycznym, ale ze wszystkich obiektów naturalnych znanych nauce Słońce zbliża się do tego ideału najbardziej[21]. Biorąc pod uwagę, że Księżyc jest ciałem skalistym, jego okrągłość jest nieco zaskakująca. Księżyce znajdujące się w zewnętrznych regionach Układu Słonecznego składają się ze skał i lodu, więc mają bardziej okrągły kształt niż inne księżyce, ponieważ lód jest mniej wytrzymały na naprężenia niż skały. Na naszym Księżycu lód praktycznie nie występuje, a mimo to jego przekrój jest okrągły. Ma to prawdopodobnie związek z jego szczególnym – w porównaniu z księżycami w zewnętrznych regionach Układu Słonecznego – sposobem powstania. Księżyc powstał na skutek gigantycznej kolizji proto-Ziemi z jakimś innym ciałem niebieskim. Wyrzucony materiał szybko połączył się ze sobą, gdy jego część była nadal częściowo stopiona. Niedługo potem pozostały materiał uległ akrecji i w ten sposób utworzył się Księżyc[22].

Co by było, gdyby Księżyc miał atmosferę? Całkowite zaćmienia Księżyca dostarczają tutaj pewnych wskazówek. W trakcie fazy całkowitej zaćmienia Księżyc staje się mocno czerwony, ponieważ światło słoneczne zmierzające w jego kierunku ulega załamaniu w atmosferze Ziemi. Światło przybiera kolor czerwony z tego samego powodu, z którego Słońce staje się czerwone podczas wschodu i zachodu. Obserwator znajdujący się na Księżycu byłby skąpany w czerwonym świetle i widziałby jasnoczerwoną obręcz wokół Ziemi. Gdyby Księżyc miał atmosferę, to podczas całkowitego zaćmienia Słońca również widzielibyśmy podobną obręcz. Doszłoby wówczas do całkowitego zasłonięcia różowej chromosfery i dużej części, a może nawet całości, korony[23].

Wreszcie, co by się stało, gdybyśmy zamieszkiwali inną planetę w naszym Układzie Słonecznym? Rysunek 1.4 pokazuje, jaki byłby rozmiar danego księżyca obserwowanego z jego rodzimej planety w porównaniu z wielkością Słońca[24]. Wielkością pozorną księżyca nazywane jest to, co obserwator mógłby dostrzec z równika rodzimej planety. Jeśli chodzi o gazowe olbrzymy, należy wyobrazić sobie obserwatora unoszącego się ponad chmurami w balonie badawczym. Rysunek ten ilustruje coś zadziwiającego: z ponad 64 księżyców naszego Układu Słonecznego to właśnie wielkość pozorna naszego Księżyca najlepiej pasuje do wielkości pozornej Słońca z perspektywy powierzchni planety. A jest tak wyłącznie w dość krótkim okresie historii Ziemi, który obejmuje również czas teraźniejszy. Słońce znajduje się jakieś 400 razy dalej niż Księżyc, a równocześnie jest 400 razy większe. W konsekwencji oba ciała niebieskie mają taką samą wielkość na naszym niebie.

Tak zwane księżyce galileuszowe rzucają ogromne cienie na szczyty chmur Jowisza, o czym wiedzą amatorzy, którzy poświęcili choćby chwilę na ich obserwację. (Gdyby lepiej pasowały one do pozornej tarczy Słońca, to ich cienie prawdopodobnie nie byłyby dostrzegalne przez amatorskie teleskopy). Ogólnie rzecz biorąc, im dalej znajdujemy się od Słońca, tym wydaje się ono mniejsze, a zaćmienia całkowite są bardziej powszechne. Natomiast o wiele trudniej jest zaobserwować całkowite zaćmienia Słońca, kiedy znajduje się ono bliżej i jego wielkość pozorna jest większa.

Gdyby twoim głównym celem była obserwacja całkowitych zaćmień Słońca, to wolałbyś przenieść się na planetę położoną dalej od naszej gwiazdy. Jednak z naukowego punktu widzenia zaćmienia obserwowane z Ziemi są najlepsze z dostępnych, ponieważ im planeta jest bliżej Słońca, tym dłużej trwają zaćmienia. W związku z tym, że na tych zewnętrznych planetach Słońce wydaje się mniejsze, to – przy wykluczeniu innych czynników – księżyc średniej wielkości poruszający się po orbicie jednej z nich przechodzi przez tarczę Słońca szybciej. Inne czynniki wchodzą jednak w grę i sprawiają, że nasz nieustraszony łowca zaćmień byłby na planetach zewnętrznych w jeszcze gorszej sytuacji. Księżyce obiegają gazowe olbrzymy znacznie szybciej niż nasz Księżyc Ziemię. Dzieje się tak dlatego, że gazowe olbrzymy są o wiele bardziej masywne. Co więcej, w Układzie Słonecznym tylko cztery księżyce są większe od naszego satelity. Z tego względu typowe całkowite zaćmienie Słońca widoczne z planet zewnętrznych trwa zaledwie kilka sekund.

Spośród 64 księżyców przedstawionych na rysunku 1.4 jedynie dwa wydają się mieć (średnio rzecz biorąc) taką samą wielkość jak rozmiar Słońca, gdy obserwuje się je z powierzchni ich rodzimych planet. Są to nasz Księżyc i Prometeusz – niewielki księżyc Saturna o kształcie przypominającym ziemniaka. Jednakże zaćmienia powodowane przez Prometeusza trwają mniej niż sekundę. Co więcej, jego bardzo podłużny kształt zasłania widok na chromosferę. Jak widać na rysunku, w zewnętrznych regionach Układu Słonecznego typowy księżyc wydaje się większy niż Słońce. Uśredniony stosunek jest bliski jedności tylko w przypadku Saturna, dlatego nie wydaje się zaskakujące, że spośród innych planet to właśnie wielkość pozorna jego księżyca w najwyższym stopniu odpowiada wielkości pozornej Słońca. Czy jednak dopasowanie naszego Księżyca i Słońca to również zasługa przypadku? Nasz Księżyc wyłamuje się z tego trendu i według nas wymaga to dodatkowego wyjaśnienia.

Nasz Księżyc, w porównaniu z innymi księżycami Układu Słonecznego, zapewnia nam zaćmienia, które są bardziej niż doskonałe – ponieważ Słońce wydaje się z powierzchni Ziemi większe niż z jakiejkolwiek innej planety orbitowanej przez księżyc. Dlatego też obserwator znajdujący się na powierzchni Ziemi może dostrzec drobniejsze szczegóły chromosfery i korony Słońca niż byłoby to możliwe z powierzchni dowolnej innej planety.

Naukowa wartość zaćmień

Poza swoim nieodłącznym pięknem zaćmienia doskonałe odegrały ważną rolę w odkryciach naukowych. W szczególności pozwoliły ujawnić naturę gwiazd, zapewniły naturalny test dla Einsteinowskiej ogólnej teorii względności oraz umożliwiły zmierzenie spowolnienia rotacji Ziemi.

Widma i atmosfera Słońca

Cała korona Słońca widoczna jest dla ziemskich obserwatorów jedynie podczas zaćmień całkowitych[25]. Jest to jeden z głównych powodów, dla których ludzie tak chętnie spoglądają w niebo podczas ich występowania – nie ma dwóch takich zaćmień, w trakcie których korona wyglądałaby dokładnie tak samo. Nawet współcześnie astronomowie nadal prowadzą doświadczenia w czasie zaćmień, aby zrozumieć, co odpowiada za rozgrzewanie korony do temperatury rzędu milionów stopni.

Jeszcze istotniejszy okazał się wpływ zaćmień doskonałych Słońca na rozwój wczesnej spektroskopii w zakresie interpretacji widma gwiazd. Astronomowie używają instrumentów zwanych spektroskopami do rozszczepiania światła na kolory składowe. Wiemy obecnie, że różne kolory w widmie światła odpowiadają różnym długościom fal promieniowania elektromagnetycznego. Tradycyjnymi kolorami w widmie optycznym są kolory tęczy: czerwony, pomarańczowy, żółty, zielony, niebieski, indygo i fioletowy. Długość fali widma zwiększa się, kiedy przechodzimy od niebieskiego do czerwonego końca widma. (Światło widzialne stanowi w rzeczywistości skrajnie małą część widma elektromagnetycznego, które rozciąga się od fal radiowych na końcu widma dla fal długich do promieniowania rentgenowskiego i promieniowania gamma na końcu dla fal krótkich). Chociaż uczeni na krótko przed Isaakiem Newtonem (1666) wiedzieli, że światło słoneczne rozszczepia się na wszystkie kolory widma, gdy przechodzi przez pryzmat, to dopiero w 1811 roku Joseph von Fraunhofer jako pierwszy opisał ciemne przerwy, które przeplatają gładkie kontinuum widma Słońca – często nazywa się je liniami Fraunhofera.

Na przestrzeni kolejnych dziesięcioleci wyniki eksperymentów prowadzonych w laboratoriach pokazały, że zarówno atomy, jak i cząsteczki emitują i absorbują światło w charakterystycznych miejscach widma zwanych liniami emisyjnymi i absorpcyjnymi. Kiedy gaz ulega rozgrzaniu do określonej temperatury, emituje światło charakterystyczne dla swojego składu. Taki gaz absorbuje światło padające z tyłu i tworzy w widmie linie absorpcyjne niczym kod kreskowy nałożony na tęczę. Każdy pierwiastek odciska w widmie swój unikatowy ślad. Dzięki tym eksperymentom astronomowie mogli ostatecznie utożsamić wiele linii Fraunhofera w widmie Słońca z liniami emisyjnymi tworzonymi przez poszczególne pierwiastki.

Astronomowie nie wiedzieli jednak, gdzie w Słońcu powstają linie Fraunhofera, ani nie rozumieli właściwości gazu absorbującego światło. Sytuacja uległa zmianie w drugiej połowie XIX wieku, kiedy doszło do dwóch ważnych zaćmień. W czasie jednego z nich – 18 sierpnia 1868 roku – francuski astronom Pierre Jules César Janssen skierował swój spektroskop na protuberancje – pióropusze gazu wystrzeliwane z fotosfery w kierunku korony – w ciągu kilku minut fazy całkowitej zaćmienia. W ten sposób zaobserwował on widmo jasnych linii emisyjnych. Okazało się, że w większości są one emitowane przez wodór, co szybko ustalono na podstawie porównania z widmem obserwowanym w warunkach laboratoryjnych[26]. Jasność wykrytych linii emisyjnych sprawiła, że Janssen już następnego dnia, mimo braku zaćmienia, przystąpił do poszukiwań protuberancji. Cel udało się zrealizować i niedługo później wynalazł on spektrohelioskop, który pozwalał na obserwację Słońca w świetle pojedynczej linii spektralnej. Umożliwiło to astronomom szczegółowe badania ruchów gazu w atmosferze Słońca. Wyniki obserwacji protuberancji i chromosfery na tle ciemnej przestrzeni kosmicznej w czasie zaćmienia wskazują na to, że tworzy je gorący gaz o małej gęstości, niczym wypełniający szklane probówki gaz, który w laboratoriach wzbudzany jest za pomocą prądu elektrycznego. W gruncie rzeczy kolor takiej wypełnionej wodorem probówki przypomina kolor chromosfery i protuberancji (por. ilustr. 4).

Odkrycia te pozwoliły potwierdzić wysunięte w 1864 roku przypuszczenia jezuity Angela Secchiego oraz Johna Herschela, że Słońce jest kulą gorącego gazu. I choć dzisiaj wydaje się to oczywiste, to dla astronomów z początku XIX wieku sprawa nie była tak prosta. George Airy był pierwszym astronomem, który 28 lipca 1851 roku opisał i sfotografował to, co współcześnie nazywamy chromosferą widoczną w czasie całkowitego zaćmienia Słońca. Nazwał ją wówczas łańcuchem górskim, gdyż sądził, że jest to pasmo gór na Słońcu.

Angielski astronom Joseph Norman Lockyer nie czerpał inspiracji z obserwacji zaćmień – chociaż w pełni zdawał sobie sprawę z sukcesów ekspedycji badawczych poświęconych temu zjawisku – lecz mimo to niezależnie wykrył widma protuberancji. Zarówno Janssen, jak i Lockyer niezależnie odkryli jasną linię emisyjną w żółtej części widma Słońca. Lockyer utożsamił ją z nowym pierwiastkiem, któremu nadał nazwę „hel” – termin ten pochodzi od greckiego słowa helios oznaczającego Słońce. (Hel wyizolowano w warunkach laboratoryjnych dopiero w 1895 roku). Hel nie ma żadnych cech spektralnych w widmie absorpcyjnym, a więc gdyby astronomowie skupiali uwagę na tym rodzaju widma, to do odkrycia helu mogłoby dojść znacznie później. Obecnie wiemy, że hel stanowi około 28 procent masy Słońca i jest drugim najpowszechniejszym pierwiastkiem we Wszechświecie. Jest mało prawdopodobne, że Janssen lub Lockyer pomyśleliby o badaniach widm protuberancji, gdyby wcześniej nie opisali ich obserwatorzy zaćmień Słońca.

Podczas całkowitego zaćmienia Słońca z 22 grudnia 1870 roku Charles A. Young, amerykański astronom i były misjonarz, odnotował, że gdy tylko rozpoczęła się faza całkowita zaćmienia, typowy obraz widma Słońca, w którym wyraźne, ciemne linie nałożone są na jasne kontinuum, przekształcił się w obraz linii emisyjnych. Jak napisał:

Wraz ze zmianą położenia Księżyca sierp tarczy Słońca ulega coraz większemu zwężeniu. I choć ciemne linie widma nie ulegają większym zmianom, to stają się nieco bardziej wyraźne. Niektóre z nich jednak zaczynają zanikać, a część z nich, na minutę lub dwie przed fazą całkowitą zaćmienia, zaczynają świecić bladym światłem. Kiedy jednak Słońce zostaje zupełnie zasłonięte, w całej długości widma – w kolorach czerwonym, zielonym i fioletowym – w ciągu dwóch lub trzech sekund jasne linie rozbłyskują niezliczoną ilość razy w sposób niemal olśniewający. Ta warstwa Słońca wydaje się mieć szerokość zaledwie tysięcy kilometrów, a Księżyc zasłania ją bardzo szybko[27].

Ta cienka strefa nazywana była od tej chwili warstwą odwracającą, a dzisiaj wiemy, że jest ona częścią chromosfery. Young jako pierwszy ustalił położenie i stan gazu tworzącego linie absorpcyjne w widmie Słońca przy braku zaćmienia[28]. Stosując sformułowane przez Gustava Kirchhoffa prawa spektroskopii (por. ilustr. 5)[29]. Young zdał sobie sprawę, że warstwa odwracająca składa się z chłodniejszego gazu niż znajdująca się pod nim fotosfera. Jasna fotosfera ulega użytecznemu zasłonięciu jedynie w czasie całkowitych zaćmień Słońca. Gdyby Księżyc był większy, to eksperyment Younga byłby możliwy tylko w odniesieniu do niewielkiego fragmentu krawędzi Słońca (pozornej krawędzi fotosfery).

Od czasu historycznej obserwacji zaćmienia poczynionej przez Younga w 1870 roku widmo błysku chromosfery zostało sfotografowane wielokrotnie. W istocie Księżyc odgrywa rolę gigantycznego wizjera, który pozwala jedynie na to, by cienki fragment światła z chromosfery dotarł do obserwatora w pierwszej i ostatnich kilku sekundach fazy całkowitej zaćmienia. Gdyby w trakcie całkowitego zaćmienia Słońca powstała tęcza i gdybyśmy dysponowali czułym sprzętem wideo, to przez kilka sekund można byłoby zaobserwować jej przejście od widma ciągłego do widma linii emisyjnych[30]. W rezultacie Ziemia, Księżyc i Słońce stają się podstawowymi elementami gigantycznego spektroskopu. Obserwator musi tylko przyłożyć pryzmat do oka.

Trudno przecenić wagę zaćmień z lat 1868 i 1870 dla późniejszego rozwoju astrofizyki gwiazd w wiekach XIX i XX. Tylko dlatego, że wiemy, w jaki sposób dochodzi do wytworzenia linii absorpcyjnych w atmosferze Słońca, jesteśmy w stanie interpretować widma odległych gwiazd i określić ich skład chemiczny – i możemy tego wszystkiego dokonać, nie opuszczając naszej niewielkiej planety. Taka wiedza jest fundamentem dla współczesnej astrofizyki i kosmologii.

Eddington i Einsteinowska ogólna teoria względności

Arthur Eddington był sławnym astrofizykiem teoretycznym w początkach XX wieku. Dzisiaj jest najbardziej znany z obserwacji całkowitego zaćmienia Słońca, które potwierdziły Einsteinowską ogólną teorię względności – chodzi o grawitacyjne zakrzywienie światła. W 1919 roku, dokładnie 29 maja, podjęto dwie ekspedycje, aby za pomocą całkowitych zaćmień Słońca sprawdzić ogłoszoną w 1916 roku teorię Einsteina – jedna, prowadzona przez Eddingtona i Edwina Cottinghama, udała się na Wyspę Książęcą przy wybrzeżu Afryki Zachodniej; druga, kierowana przez Andrew Crommelina i Charlesa Davidsona, wybrała się do Brazylii. Ich celem był pomiar zmian położenia gwiazd w pobliżu Słońca w odniesieniu do ich położenia w miesiącach przyszłych lub przeszłych. Obie ekipy miały doświadczenie w fotografowaniu zaćmień. Wyniki badań potwierdziły przewidywania Einsteina i zapewniły mu natychmiastowe uznanie.

Astronomowie powtarzali eksperyment z 1919 roku przy okazji wielu zaćmień. Ogólnie rzecz biorąc, efekty były zgodne z przwidywaniami Einsteina. Pierwsze zaobserwowane odchylenia były zwykle zbyt duże i wykazywały znaczne rozproszenie, ale powodem tego mogły być niesprzyjające warunki pogodowe[31]. Najdokładniejsze doświadczenie dotyczące zakrzywienia światła gwiazd przeprowadzono podczas zaćmienia Słońca 30 czerwca 1973 roku, a rezultaty po raz kolejny uwierzytelniły ogólną teorię względności[32]. Kilka lat później radioastronomowie sprawdzili przewidywania Einsteina z dużo większą dokładnością, ale bez udziału zaćmień[33]. Prowadzone były jeszcze inne testy – tym razem z wykorzystaniem transmisji radiowych nadawanych z sond kosmicznych – które również potwierdziły pokrewne aspekty ogólnej teorii względności. Chociaż więc teorię tę testowano bardziej rygorystycznie niż za pomocą zaćmień Słońca, a wyniki badań z 1919 roku były dość niedokładne, to eksperymenty z użyciem zaćmień Słońca bez wątpienia przyśpieszyły przyjęcie teorii Einsteina.

Rozpoznawanie przeszłego tempa rotacji Ziemi

Historyczne obserwacje całkowitych zaćmień Słońca są jak dotąd najlepszym znanym sposobem pomiaru zmian okresu rotacji Ziemi na przestrzeni ostatnich kilku tysięcy lat[34]. Wyniki dokładnych obserwacji gwiazd wskazują, że ruch wirowy Ziemi zwalnia w tempie dwóch milisekund na 100 lat (to znaczy, że co 100 lat doba wydłuża się o dwie milisekundy), co ma związek głównie z pływami na Ziemi powodowanymi przez Słońce i Księżyc[35]. Jednakże tak precyzyjne spostrzeżenia były możliwe jedynie w okresie ostatnich kilkuset lat.

Ponieważ całkowite zaćmienia Słońca rzucają na powierzchnię Ziemi jedynie wąski cień, więc są one widoczne wyłącznie dla nielicznych szczęśliwców lub podążających za zaćmieniami zapalonych obserwatorów. Wahania okresu rotacji Ziemi przekładają się na błędy w prognozowaniu położenia cienia. Na podstawie starożytnych opisów całkowitych zaćmień Słońca w określonych miejscach i czasie astronomowie mogą oszacować błąd w przewidywanej długości geograficznej i przełożyć go na błąd w czasie. Ten rodzaj informacji ma kilka zastosowań. Znając na przykład dokładne wahania okresu rotacji Ziemi, możemy zauważyć niewielkie zmiany tego okresu powstałe na przestrzeni wieków i tysiącleci, takie jak zmiany związane z cofaniem się lodowców na półkuli północnej. Co ważniejsze, obserwacje całkowitych zaćmień Słońca umożliwiły historykom przełożenie systemu kalendarzowego starożytnych cywilizacji na ten, którego używamy współcześnie. Dzięki temu jesteśmy w stanie przedstawić wydarzenia z różnych cywilizacji na jednej osi czasu. Możemy w ten sposób ustalić konfigurację Słońca, Księżyca i planet w dowolnym miejscu i czasie. Inne rodzaje zjawisk astronomicznych, takie jak zaćmienia Księżyca i koniunkcje planet, nie są aż tak użyteczne dla badań historycznych jak całkowite zaćmienia Słońca, ponieważ są widoczne z rozleglejszych obszarów lub trwają znacznie dłużej.

Doskonałe zaćmienia Słońca są optymalne dla wszystkich trzech wskazanych wyżej celów, czyli dla odkrycia natury atmosfery Słońca, przetestowania ogólnej teorii względności i ustalenia tempa rotacji Ziemi. Gdybyśmy natomiast byli świadkami superzaćmień, to moglibyśmy obserwować chromosferę jedynie w niewielkim fragmencie krawędzi Słońca[36]. Nie bylibyśmy również w stanie określić zakrzywienia światła gwiazd tak blisko tej krawędzi[37]. Cień zaćmienia rzucany na Ziemię byłby na dodatek większy, co ograniczałoby możliwość badań rotacji Ziemi.

Znajdowalibyśmy się w jeszcze gorszej sytuacji, gdyby tarcza Księżyca nie zakrywała jasnej tarczy Słońca, co przynosiłoby jedynie zaćmienia obrączkowe. Różnica między zaćmieniem obrączkowym a całkowitym nie dotyczy tylko stopnia przesłonięcia Słońca. Dla przypadkowego obserwatora obrączkowe zaćmienie Słońca ledwie się różni od zaćmienia częściowego. Ponieważ chromosfera jest bardzo cienka, więc gdyby pozorna wielkość Księżyca była tylko nieco mniejsza, to dowiedzielibyśmy się znacznie mniej o atmosferach gwiazd.

Niezaprzeczalne piękno całkowitych zaćmień Słońca bez wątpienia było w ciągu ostatnich 200 lat motywacją dla astronomów, aby odbywać dalekie podróże w celu ich zaobserwowania. Ze sporządzonych zapisków jasno wynika – choć może się to wydawać banalne – że doświadczenie zaćmienia było istotną częścią ich zainteresowań. Wiele ważnych odkryć dotyczących Słońca było kwestią przypadku. Gdyby piękno całkowitych zaćmień nie zwróciło uwagi astronomów na rzucany przez nie wąski cień, to pewnych odkryć dokonano by później albo w ogóle by do nich nie doszło.

Obecnie za pomocą obserwatoriów umieszczonych w przestrzeni kosmicznej można obrazować zewnętrzną koronę Słońca, a dzięki teleskopom wybudowanym na szczytach gór i wyposażonym w koronografy – koronę wewnętrzną. Jednakże przesłony w koronografach znajdujących się w przestrzeni kosmicznej zakrywają wszystko w zakresie dwóch promieni słonecznych, a rozdzielczość przestrzenna jest mniejsza niż w przypadku obserwacji zaćmień całkowitych prowadzonych z powierzchni Ziemi[38]. Skoro wyłącznie całkowite zaćmienia Słońca umożliwiają obrazowanie całej korony słonecznej, to nadal są one źródłem użytecznych i zdobywanych przy nakładzie niewielkich kosztów informacji.

Istnieje jeszcze jeden, bardziej zaskakujący zbieg okoliczności. Ze względu na pływy wywoływane przez Księżyc stopniowo oddala się on od Ziemi o 3,82 centymetra na rok[39]. Za 10 milionów lat wielkość pozorna Księżyca będzie już zauważalnie mniejsza. Jednocześnie pozorny obwód Słońca od dawna wrasta o 6 centymetrów na rok, co jest normalnym zjawiskiem w procesie ewolucji gwiazd. Na skutek łącznego działania tych procesów za około 250 milionów lat – co stanowi zaledwie 5 procent wieku Ziemi – nie powinno już dochodzić do całkowitych zaćmień Słońca. Tak się ponadto składa, że względnie niewielki okres, w którym można obserwować zaćmienia całkowite, zbiega się też z istnieniem inteligentnego życia[40]. Ujmując rzecz inaczej, najbardziej zamieszkiwalne miejsce w Układzie Słonecznym zapewnia jednocześnie najlepszą scenerię dla obserwacji zaćmień Słońca właśnie w tym czasie, kiedy przynoszą one najwięcej korzyści obserwatorom[41].

Od zaćmienia do wiedzy