Didžiųjų debatų šimtmetis: kas gi yra galaktika, kaip ją suprato mūsų protėviai, ką žino dabartinis mokslas ir kokios paslaptys mūsų dar laukia?

Dar prieš šimtą metų virė ginčai, ar danguje matomi spiraliniai ūkai yra už Paukščių Tako ribų, ar jo dalis. Kaip tik šiemet sueina šimtas metų nuo diskusijos, vadinamos Didžiaisiais debatais, kurių metu du iškilūs astronomai atstovavo abi ginčo puses ir nesugebėjo prieiti galutinės išvados.

Tik po keleto metų galutinai patvirtinta, kad Andromeda ir kai kurie kiti ūkai yra galaktikos, nutolusios šimtus tūkstančių parsekų ir daugiau nuo mūsų.

Paukščių Tako juosta nuo seniausių laikų apipinta mitų ir legendų. Mūsų protėviams tai buvo kelias, kuriuo paukščiai skrenda į pietus žiemoti; graikams – pieno čiurkšlė iš deivės Heros krūties; kitos tautos turėjo daugybę kitokių pasakojimų.

Tačiau suvokimas, kad tai iš tiesų yra daugybės žvaigždžių šviesa, susiliejusi į vientisą švytėjimą, atėjo tik išradus teleskopus. Panašiai ir su kitomis galaktikomis: plika akimi matomos Andromeda bei Didysis ir Mažasis Magelano debesys tik XVII ir vėlesniais amžiais aprašyti kaip žvaigždžių telkiniai. Teleskopai apskritai apvertė supratimą apie kosmosą ir atskleidė, kad be žvaigždžių ten yra daugybė įvairių ūkų.

Bene pirmasis juos sistemingai tyrinėjo prancūzas Charlesas Messieras. Iš tiesų jis norėjo tyrinėti kometas, bet stebėjimams vis trukdydavo kiti objektai, nepanašūs į žvaigždes ir kartais supainiojami su kometomis. 110 jų Messieras surašė į katalogą; šie Messiero objektai dabar yra labai populiarūs astronomų-mėgėjų taikiniai, nes šiandieniniai mėgėjiški teleskopai nesunkiai prilygsta geriausiems XVIII a. pabaigos moksliniams instrumentams.

Ir fizikine prigimtimi, ir regimomis savybėmis Messiero objektai yra labai įvairūs. Ten yra ir įvairūs žvaigždžių spiečiai bei dujų debesys mūsų Paukščių Take, ir supernovų liekanos, ir Andromeda, ir daugiau nei trisdešimt kitų galaktikų. Aišku, Messiero laikais apie objektų prigimį astronomai nežinojo, bet netruko pastebėti kitus, vizualius skirtumus. Vieni objektai gražiai sferiški, kiti – ne; vienuose matyti daug pavienių žvaigždžių, kituose – ne; skyrėsi ir jų spalvos bei dydžiai dangaus skliaute. Po truputį buvo aiškinamasi, kas tai galėtų būti.

Reikšmingą proveržį pasiekti leido XIX a. atsiradęs spektroskopijos mokslas, leidęs tyrinėti medžiagų sudėtį, prie pačių medžiagų neprisiliečiant. Įvairios dujos, priklausomai nuo cheminės sudėties, temperatūros ir tankio, sugeria ir skleidžia skirtingo bangos ilgio šviesą. Šiuos duomenis tinkamai interpretuojant, galima nustatyti net ir tolimų ūkų sandarą bei judėjimo greitį mūsų atžvilgiu. Žvaigždžių ir dujų debesų stebėjimai pildė ir Paukščių Tako vaizdą – buvo išsiaiškinta, kad Galaktikos diskas turi spiralines vijas, kad jame yra įvairių dulkių sankaupų.

Panašiai, kaip senovės filosofai kėlė klausimą, ar Žemė yra vienintelė tokia, ar yra kitų panašių planetų Visatoje, o vėliau tokį patį klausimą uždavinėjo apie Saulę ir Saulės sistemą, taip vėlesnių laikų filosofams kilo klausimas ir apie Paukščių Taką. Ar mūsų Galaktika tapati visai Visatai? XVIII a. viduryje apie tai pasisakė anglų astronomas Thomasas Wrightas ir garsusis vokiečių filosofas Immanuelis Kantas. Jie abu teigė, kad Paukščių Takas yra gravitacijos surištas besisukantis žvaigždžių telkinys ir kad kai kurie kiti nakties danguje matomi ūkai gali būti panašūs, tik labai toli esantys, telkiniai. Kantas juos pavadino „salomis-visatomis“ – šis terminas išliko iki XX a. pradžios. Visgi tai buvo tik hipotezė, kurią patvirtinti arba paneigti reikėjo geresnių stebėjimų ir jų interpretacijos.

XX a. pradžioje įvairių duomenų prikaupta labai daug, bet aiškumo jie nepridėjo. Vieni astronomai teikė pirmenybę salų-visatų hipotezei, kiti laikėsi tradicinio aiškinimo, kad Paukščių Takas yra viskas, kas egzistuoja Visatoje, o visi ūkai, ar tai būtų dujų debesys, ar spiraliniai žvaigždžių telkiniai, tėra Paukščių Tako dalis. Siekiant išspręsti šiuos ginčus, 1920 metų baladį Vašingtone, Nacionalinės mokslų akademijos salėje surengta vieša diskusija, praminta Didžiaisiais debatais. Joje dalyvavo du garsūs ir iškilūs to metu astronomai, amerikiečiai Harlow Shapley ir Heberis Curtisas.

Harlow Shapley astronomu tapo visai atsitiktinai – pasakojama, kad nuvykęs į Misūrio universitetą studijuoti žurnalistikos, jis sužinojo, kad šios programos pradžia nukelta metams, tad pasirinko pirmą sąraše buvusią studijų programą, kurios pavadinimą sugebėjo ištarti. Taigi pasaulis gavo ne žurnalistą ir ne archeologą, o astronomą Shapley.

Baigęs studijas jis dirbo Mount Wilson observatorijoje, kur atliko Paukščių Tako kamuolinių spiečių stebėjimus ir nustatė atstumus iki jų, išmatavęs kintančiųjų žvaigždžių Cefėidžių pulsavimą (apie Cefėides ir kuo jos svarbios kosminiams atstumų matavimams kadaise rašiau čia). Taip jis įrodė, kad Paukščių Takas yra gerokai didesnis, nei manyta iki tol.

Heberis Curtisas, kiek vyresnis už debatų oponentą, tuo metu dirbo Licko observatorijoje Kalifornijoje, kur ilgą laiką vykdė ūkų – ypač spiralinių – stebėjimus. Jis jau buvo pasižymėjęs kaip šios srities ekspertas, tad natūralu, kad irgi buvo pakviestas dalyvauti tokioje diskusijoje.

Pavadinimas „Didieji debatai“ šiam įvykiui priskirtas vėliau. Iš tiesų tai buvo vienas iš reguliariai Nacionalinės mokslų akademijos rengiamų vakarų, kurių metu mokslininkai plačiajai auditorijai pristatydavo savo tyrimų sritis. Na, kažkas panašaus į šiandienines mokslų kavines, tik su daugiau kostiumų ir tiems laikams būdingo iškilmingumo. 1920-ųjų balandžio renginys buvo neįprastas tik tuo, kad jame pranešėjai buvo du, ir pristatė jie priešingus požiūrius tema „Visatos dydis“. Kiekvienam pranešimui skirta po 45 minutes, vėliau sekė laikas diskusijoms.

Per savo 45 minutes Shapley pristatė tuo metu jau neblogai žinomus tyrimus apie Paukščių Tako dydį, žvaigždes ir žvaigždžių spiečius, ir galimą ūkų prigimtį. Apie Andromedą ir kitas galimas „salas-visatas“ jis pasisakė labai nedaug, praktiškai tik du esminius teiginius.

Jei Andromedos dydis yra panašus į Paukščių Tako – apie 300 tūkstančių šviesmečių – tuomet atstumas iki jos turėtų būti apie 100 milijonų šviesmečių. Bet kad matytume pavienes žvaigždes iš tokio didžiulio atstumo, jos turėtų būti daug ryškesnės, nei Paukščių Tako žvaigždės, o tai prieštarauja teiginiui, kad Andromeda yra labai panaši į mūsų Galaktiką.

Kitas teiginys – spiralinio ūko M51 nuotraukos, darytos izoliuojant mėlyną ir geltoną šviesą, atrodė gana nepanašiai viena į kitą, o jei objekto šviesa sklinda iš žvaigždžių, atvaizdai kaip tik turėtų būti gana panašūs. M51, dar žinomas kaip sūkurio ūkas, buvo pirmasis ūkas, kurio spiralinę struktūrą identifikavo astronomai, taigi jo „salos-visatos“ statuso paneigimas turbūt atrodė kaip rimtas argumentas prieš visą hipotezę.

Curtiso pranešimas buvo daug techniškesnis, jis taip pat kalbėjo apie Paukščių Tako dydį, bet daugiau koncentravosi į argumentus apie spiralinių ūkų atstumus. Jis pabrėžė, kad nei vieno spiralinio ūko atstumas nėra tiksliai išmatuotas, bet įvairūs argumentai leidžia teigti, kad tie ūkai yra dideli – palyginamo dydžio kaip Paukščių Takas – ir tolimi. Vienas svarbiausių argumentų – žvaigždžių žybsniai, vadinami novomis. Tuo metu jie buvo reguliariai aptinkami ir Paukščių Take, ir Andromedoje.

Jei laikysime, kad novos ir čia, ir ten yra iš principo panašios, panašūs turėtų būti ir jų ryškiai, o tai leidžia įvertinti atstumą iki Andromedos, kuris pasirodo esąs daug didesnis, nei numanomas Paukščių Tako dydis, nors toli gražu ir ne 100 milijonų šviesmečių. Dar vienas argumentas – novų bei kintančiųjų žvaigždžių skaičiai: Magelano debesyse kintančiųjų žvaigždžių aptikta daugiau, nei visame (likusiame) Paukščių Take – kodėl jos turėtų būti sukoncentruotos mažytėje Galaktikos dalyje, jei Debesys tikrai priklauso Paukščių Takui? Novų skaičius Andromedoje didesnis, nei visame (likusiame) Paukščių Take – vėlgi, kodėl taip turėtų būti?

Ir Shapley, ir Curtiso argumentai nebuvo vienareikšmiai. Nors teigiama, kad debatus laimėjo Curtisas, taip buvo tik dėl skirtingo jų požiūrio į patį renginio formatą: Curtisas labiau ruošėsi argumentams apie spiralinius ūkus ir salas-visatas, o Shapley labiau pristatinėjo bendrą kontekstą. Vėliau abu astronomai kartu su kolegomis diskutavo apie įvairius teiginius ir pristatė priešingas pozicijas dviejuose straipsniuose, kurie 1921 metais publikuoti žurnale Bulletin of the National Research Council. Čia abiejų pusių argumentai gausesni ir išdėstyti nuosekliau; iš esmės būtent dėl šių straipsnių turinio astronomų diskusija pavadinta Didžiaisiais debatais.

Pagrindinis debatų klausimas buvo išspręstas vos po keleto metų, daugiausiai kito amerikiečio Edwino Hubble dėka. Hubble, kaip ir Shapley kilęs iš Misūrio valstijos, jaunystėje buvo puikus sportininkas, o studijoms pasirinko teisę. Visgi jaunuolį traukė astronomija ir po nenusisekusių bandymų tapti teisininku ir mokytoju, jis pradėjo doktorantūros studijas. Baigęs jas, dar spėjo prisijungti prie JAV kariuomenės Pirmajame pasauliniame kare, bet vėliau atsidėjo ūkų tyrimams.

Naudodamasis aukščiau minėtomis Cefėidėmis Hubble apskaičiavo atstumą iki Andromedos bei gretimo Trikampio ūko ir įrodė, kad jie tikrai yra už Paukščių Tako ribų. Per trečiąjį dešimtmetį jis apskaičiavo atstumus iki kelių dešimčių galaktikų – šis pavadinimas greitai prigijo ir išstūmė „salas-visatas“ – ir nustatė, kad kuo toliau yra galaktika, tuo sparčiau ji tolsta nuo mūsų. Šis sąryšis pavadintas jo garbei ir yra turbūt plačiausiai žinomas Hubble pasiekimas, tačiau jo padėti pamatai užgalaktinei astronomijai yra daug platesni.

Daugiau detalių apie Didžiuosius debatus rasite šioje istorinėje apybraižoje.