KOLUMNA Andreja Gomboc: Lahko pademo z Zemlje?

GRAVITY IS ALL AROUND / GRAVITACIJA JE POVSOD

“I feel it in my fingers

I feel it in my toes

The love that’s all around me

And so the feeling grows”

S temi verzi iz znane uspešnice Love is all around bi lahko opisali tudi gravitacijo. Silo, ki jo čuti vse v vesolju – od najmanjših delcev, kot so elektroni in kvarki, do planetov, črnih lukenj in največjih galaksij.

DRZNA MISEL

Pa začnimo zgodbo o gravitaciji, kot se spodobi, pri Isaacu Newtonu. Že pred njim je Galileo Galijej s poskusi (baje tudi s spuščanjem krogel s poševnega stolpa v Pisi) pokazal, da vsa telesa ne glede na svojo maso padajo z enakim pospeškom (če pravilno upoštevamo še vpliv zračnega upora), kar so mnogo let kasneje dokazali tudi astronavti na Luni.⤵

Newton je šel še dlje. Legendarna je zgodba o tem, da se mu je ključna misel o gravitaciji utrnila med počitkom na vrtu: Kaj če se vpliv Zemlje, ki povzroča, da jabolko pade z drevesa na tla, razširja še veliko dlje … morda seže vse do Lune in vpliva na njeno gibanje ter jo drži v orbiti okoli Zemlje? Drzna misel tudi zato, ker predpostavlja, da “navadne” in minljive stvari na Zemlji, vključno z jabolki in ljudmi, upravljajo isti zakoni narave kot nebesna telesa, ki so bila po takratnem pojmovanju v domeni božjega, večnega in popolnega.

POGOSTO POZABIMO NANJO. RAZEN…

Gravitacija je ena od štirih znanih osnovnih sil (druge tri so elektromagnetna, močna in šibka sila) in je daleč najšibkejša med njimi – je 10³⁸-krat šibkejša od močne sile, 10³⁶-krat od elektromagnetne in 10²⁹-krat od šibke sile. Na nivoju podatomskih delcev, kjer pridejo veliko bolj do izraza te tri, je zato zanemarljiva. Pri številnih sodobnih znanstvenih poskusih je mogoče njen vpliv zanemariti ali ga zelo enostavno upoštevati (npr. v konstantnem gravitacijskem polju na površini Zemlje) in tudi v vsakdanjem življenju pogosto kar pozabimo nanjo. Razen morda takrat, ko nam iz rok pade kozarec in se razbije. Najbolj pogosto in boleče pa jo verjetno občutijo malčki, ko poskušajo shoditi ali se naučiti vožnje s kolesom.

JE TISTA, KI VODI IGRO

Svojo moč gravitacija pokaže na makroskopskem nivoju: večja so telesa, pomembnejša je in v vesolju, na astronomskih skalah, je tista, ki vodi igro.

Drži nas na Zemlji.

Gravitacija omogoča Zemlji, da ima ozračje – molekule atmosferskih plinov bi se že davno porazgubile v vesolje, če jih ne bi Zemljina sila težnosti držala vezane nanjo. Ozračje ni pomembno le zaradi kisika, ki ga dihamo, ampak tudi zato, ker ščiti življenje na Zemlji pred škodljivim rentgenskim in gama sevanjem iz vesolja. Še več, brez ozračja na Zemljinem površju ne bi bilo tekoče vode, brez katere ne bi bilo življenja.

“Zemlja, Luna, Sonce in zvezde so okrogle oblike, saj je taka oblika energijsko najbolj ugodno stanje snovi v gravitacijskem potencialu.”

ZEMLJA JE OKROGLA ZARADI GRAVITACIJE

Ste se morda kdaj vprašali, zakaj je Zemlja okrogla? Zaradi gravitacije. Zemlja, Luna, Sonce in zvezde so okrogle oblike, saj je taka oblika energijsko najbolj ugodno stanje snovi v gravitacijskem potencialu. Gravitacijska sila namreč pada s kvadratom razdalje, in zato stremi k temu, da snov zbere na čim manjši razdalji od središča telesa – v obliki krogle.

Zaradi gravitacije se Luna giblje okoli Zemlje. Pa tudi raznorazni komunikacijski in navigacijski sateliti, brez katerih si sodobnega življenja skorajda ne moremo več predstavljati.

In kot je pokazal Isaac Newton, je gravitacijska sila razlog, da se planeti, vključno z Zemljo, gibljejo okoli Sonca. Newtonovi predhodniki so gibanje planetov opazovali in poskušali razumeti. Kepler je na primer na podlagi opazovanj formuliral svoje tri zakone (med drugim, da se planeti gibljejo okoli Sonca po elipsah), vendar je šele Newton razložil, zakaj se tako gibljejo.

KO SE ČAROVNIJA ŠELE ZAČNE

A čarovnija gravitacije se tukaj šele dobro začne. Danes vemo, da je gravitacija razlog, da nastajajo in obstajajo zvezde, vključno z našim Soncem. Gravitacija je tista, ki povzroči, da se oblaki medzvezdnega plina in prahu zaradi lastne teže pričnejo sesedati in da se posamezni deli v njih skrčijo v posamezne zvezde. Ob krčenju se zametki zvezd, protozvezde, segrevajo, in ko njihove sredice postanejo dovolj goste in vroče, se v njih vžgejo jedrske reakcije. Takrat pravimo, da se rodi zvezda. Atomska jedra vodika (protoni) se zlivajo v helijeva jedra, pri čemer se 0,7 % mase spremeni v energijo (po slavni Einsteinovi zvezi E=mc²). Zvezda kot plinasta žareča krogla oddaja energijo, ki se izgublja v vesolje in mimogrede greje okoliške planete, če jih zvezda ima. V procesu nastajanja zvezd namreč okoli njih nastanejo protoplanetarni diski snovi, v njih pa zametki protoplanetov in sčasoma pravi planeti. Tako je nastala tudi Zemlja in drugi planeti v našem Osončju ter naše Sonce, ki nas greje.

Gravitacija krmili tudi nadaljnji razvoj zvezd: ko porabljajo svoje jedrsko gorivo, vedno bolj stiska njihove sredice. V primeru zvezd, ki imajo v začetku maso višjo od osem mas Sonca, lahko gravitacija pripelje sredico do kolapsa v nevtronsko zvezdo (ali celo črno luknjo). Gravitacijska energija, ki se pri kolapsu sprosti, pa je tako ogromna, da razžene ovojnico zvezde v najsilovitejših eksplozijah v vesolju, supernovah in izbruhih sevanja gama. Ob teh eksplozijah stečejo jedrske reakcije, v katerih nastane vrsta kemijskih elementov, ki jih v začetnem vesolju ni bilo in ki sestavljajo tudi našo Zemljo in nas same.

BREZ GRAVITACIJE NI GALAKSIJ

In kot iz napisanega doslej morda že slutite, tudi galaksij ne bi bilo, če ne bi bilo gravitacije. Iz majhnih zgoščin v zgodnjem vesolju je gravitacija ustvarila največje strukture v današnjem vesolju, jate galaksij in galaksije. Gravitacija je tista, ki drži galaksije v jatah in zvezde v galaksijah ter povzroča, da na primer naše Sonce in mi z njim krožimo okoli središča Galaksije s hitrostjo 230 km/s, a nas kljub temu ne odnese v vesolje.

A ta gravitacija ima izvor v težnostni sili znane, običajne snovi, iz katere so zvezde, planeti, plin in prah med njimi, le delno. Znana astrofizičarka Vera Rubin je pokazala, da se spiralne galaksije vrtijo veliko prehitro, da bi jih lahko držala skupaj samo ta sila. Večino težnostne sile v galaksijah povzroča neka nevidna, t. i. temna snov, o kateri ne vemo praktično ničesar, razen da ne oddaja in ne absorbira svetlobe ter da s svojo gravitacijsko silo vpliva na običajno snov. S svojo težnostjo drži zvezde vezane v galaksije in preprečuje, da se ne razfrčijo po vesolju. Temne snovi je v vesolju okoli 5-krat več kot običajne snovi in predstavlja okrog 25 % vse mase in energije vesolja. (Poleg nje je nepojasnjenih še preostalih 70 % vesolja, ki jih tvori nekaj, čemur pravimo temna energija in povzroča pospešeno širjenje vesolja.)

RAZBURLJIVA NOVICA. IZJEMNO ODKRITJE

O vesolju še marsičesa ne vemo. A vsak dan korak za korakom premikamo meje našega znanja. Tako je pred dvema letoma strokovno in laično javnost razburkala novica, da je observatoriju LIGO uspela prva neposredna detekcija gravitacijskih valov, ki so nastali ob zlitju dveh črnih lukenj. To je bila še ena zmaga Einsteinove splošne teorije relativnosti, ki je pravzaprav teorija gravitacije in nadgrajuje Newtonovo teorijo. Sledila je Nobelova nagrada za fiziko 2017, ki so jo dobili voditelji projekta LIGO, in še eno izjemno odkritje 17. avgusta 2017, ki označuje rojstvo t. i. večglasniške astronomije: hkratna detekcija gravitacijskih valov iz zlitja dveh nevtronskih zvezd in kratkega izbruha sevanja gama. Napovedi, da se je pred dvema letoma s prvo LIGO detekcijo pričela nova doba v astronomiji ali, kot ji pravijo nekateri, gravitacijska astronomija, so se uresničile. Zato z nestrpnostjo pričakujemo ponoven zagon še izboljšanih observatorijev LIGO in Virgo v letošnji jeseni ter novih detekcij, ki nam bodo omogočile proučevanje neposredne okolice nevtronskih zvezd in črnih lukenj – delov vesolja, v katerih je gravitacija najmočnejša.

“Gravitation is not responsible for people falling in love.”

Gravitacija je povsod okoli nas, vlada celotnemu vesolju. A kljub temu le ni odgovorna za vse, kar se dogaja v vesolju in nam na Zemlji. Na primer, ni odgovorna za privlačnost med ljudmi ali kot je rekel Albert Einstein: “Gravitation is not responsible for people falling in love.”

>>>>>>

ANDREJA GOMBOC  je astrofizičarka. Proučuje izbruhe sevanja gama in plimsko raztrganje zvezd v bližini črnih lukenj. Je raziskovalka v Centru za astrofiziko in kozmologijo ter redna profesorica za astronomijo na Fakulteti za naravoslovje Univerze v Novi Gorici, ustanoviteljica in urednica spletnega Portala v vesolje in predsednica slovenskega tekmovanja v znanju astronomije pri DMFA Slovenije. Med svoje največje astronomske dosežke šteje razstavo Od Zemlje do vesolja v Tivoliju in prvi simpozij Mednarodne astronomske zveze v Sloveniji.

_____________

Če si že tu, preberi še tole …