iPon Cikkek

Az üvegműves, aki a spektroszkópia atyja lett

Dátum | 2014. 04. 27.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Az égbolt csodái a történelem hajnala óta izgatják az emberiséget. A Nap, a Hold és a csillagok távolságának lemérésével először az időszámításunk előtti 3−4. században kezdtek komolyan próbálkozni. Az űr azonban még napjaink óriási távcsöveket és nagyteljesítményű számítógépeket használó szakértői előtt sem tárta fel minden titkát, sőt: ahogy egyre távolabbra látunk a bolygónkat körülvevő világban, egyre több kérdés merül fel annak természetével és eredetével kapcsolatban. Számos olyan dolog is van persze, amelyre az elmúlt két és fél évezred kutatásai sikeresen fényt derítettek. Nehéz lenne rangsorba állítani az asztrofizika legjelentősebb felfedezéseit, annak a technikának a kidolgozása azonban, amely később lehetővé tette az univerzum egyik legfontosabb jellegzetessége, a tágulás jeleinek észlelését, biztosan ezek közé tartozik. Joseph von Fraunhofer két évszázaddal ezelőtt a laborjába besütő napfényt vizsgálva sötét vonalakat fedezett fel annak színképében. A bajor üvegműves és optikus munkásságának köszönhető a csillagászati spektroszkópia megszületése, amely a következő évszázadokban kulcsfontosságú szerephez jutott a csillagászat tudományának fejlődésében. Fraunhofer 1787-ben született, egy többgenerációs üvegműves család tizenegyedik gyermekeként. Szülei korai halála után Münchenbe került, ahol Philipp Anton Weichselberger mester inasa lett. A műhelyben tükröket és dekoratív üvegtárgyakat gyártottak a bajor udvar számára. Weichselberger keménykezű mester volt, akit nem igazán érdekelt, hogy inasa bármit is megtanuljon a keze alatt vagy egyéb módon művelődjön. Kizárólag a legalantasabb feladatok végrehajtását bízta Fraunhoferre, és megtiltotta, hogy tudományos könyveket olvasson, vagy hogy eljárjon az inasok számára fenntartott vasárnapi iskolába.
Az ifjú Fraunhofer két évig sínylődött a műhelyben, amikor bekövetkezett a dickensi fordulat. Weichselberger háza összeomlott, és maga alá temette az ott tartózkodó inast. A mentés hosszú órákig tartott, és mire Fraunhofert kiszabadították a romok alól IV. Miksa József választófejedelem is helyszínre érkezett. Az uralkodó rögtön szárnyai alá vette az ifjút, meghívta kastélyába és egyik tanácsadója, Joseph von Utzschneider gondjaira bízta. Fraunhofer végül a bencés rend Optikai Intézetében kötött ki, ahol távcsőlencsék és egyéb műszerek előállításában és fejlesztésében segédkezett. Alig múlt húsz esztendős, amikor az intézet üvegműves részlegének vezetőjévé nevezték ki. Az intézmény legfőbb célja ebben az időszakban az általuk gyártott eszközök minőségének javítása volt, így Fraunhofer belevetette magát az optika alapjainak minden korábbinál részletesebb tanulmányozásába, hogy a fény és a fénytörés jelenségének megismerésével tegyen hozzá a jobb lencsék gyártását célzó erőfeszítésekhez. 1807-ben, 20 éves korában jelent meg első nagyobb tanulmánya a témában. 1814-ben Fraunhofer többek közt azt vizsgálta laborjában, hogy a különböző típusú és alakú üvegek hogyan törik meg a fényt. Az a tény, hogy prizmák segítségével a fehér fény különböző színekre bontható, az ókor óta ismert volt, sokáig azonban úgy hitték, hogy a színeket valamilyen módon az üveg adja hozzá a fényhez. Isaac Newton az 1660-as években igazolta a fehér fény összetett voltát, vagyis hogy az több különböző hullámhosszú (azaz eltérő színű) fény keveréke. Mivel ezek az összetevők két közeg határán némileg eltérő szögben törnek, a prizma a fehér fényt színes szivárvánnyá bontja. Fraunhofert és kutatótársait az izgatta elsősorban, hogyan tudnák elhatárolni a prizma által produkált szivárvány színeit. A spektrum ugyanis teljesen folytonosnak tűnik, vagyis nem lehet pontosan megmondani, hol ér véget a vörös, és hol kezdődik a sárga. A bajor szakértők kísérletek tömegével igyekeztek szétbontani a színeket, de nem jártak sikerrel. A próbálkozások közt azonban akadt egy pár, amely nagyon érdekes eredményekkel zárult.
Fraunhofer az egyik alkalommal például égő alkoholt és ként használt fényforrásként, és észrevette, hogy a prizma által létrehozott színkép narancsszínű régiójában egy, a többi résznél jóval fényesebb vonal tűnik fel. A kutató kíváncsiságtól hajtva napfénnyel is megismételte a kísérletet. Hasonlóval már Newton is próbálkozott, mégpedig olyan módon, hogy egy apró kerek lyukkal ellátott lapot helyezett a Nap irányába, majd az ezen áthaladó fénysugarat engedte át a prizmán, egy ernyőre vetítve az abból kilépő fényt. Fraunhofer annyit változatott az elrendezésen, hogy kerek lyuk helyett egy hosszúkás rést alkalmazott. Legnagyobb meglepetésére a színképen különböző vastagságú sötét vonalak jelentek meg. A kutató több különböző variációban is elvégezte a kísérletet, és úgy találta, hogy nem a berendezések hibájáról van szó, hanem a maga a napfény felelős valamilyen módon a vonalak felbukkanásáért. A következő évek tanulmányaiban Fraunhofer arról számolt be, hogy a Nap fényében detektált sötét vonalak mind direkt, mind indirekt fény esetén megjelennek, függetlenül attól, hogy az valamilyen földi objektumról, a Holdról vagy valamelyik bolygóról verődik vissza. A tíz legélesebben kirajzolódó vonalat betűjelzéssel látta el, és hosszas vizsgálatok után összesen 574 vonalat számolt össze a Nap színképében. Idővel aztán más fényes csillagok színképét is vizsgálatoknak vetette alá, és ezekben is ráakadt a vonalakra, bár azok kicsit más elrendezést mutattak, mint a Nap vonalai. Ez a megfigyelés egyben kizárta azt is, hogy a vonalak megjelenéséért a földi légkör lenne felelős, hiszen ez esetben különböző égitestek esetén nem változna azok pozíciója. Fraunhofer tehát azt állította, hogy a később róla elnevezett vonalak a fényforrás valamilyen specifikus tulajdonságát jelzik.
A szakértő ottléte alatt az Optikai Intézet kora legjobb távcsőgyártó műhelyévé lépett elő, az itt készült műszerek még az angol teleszkópokat is felülmúlták finomságukban. Maga Fraunhofer ugyanakkor pontosan tudta, hogy az általa elvégzett alapkutatások igazi hasznát csak az utókor fogja látni. Visszaemlékezéseiben úgy fogalmaz, hogy kísérletei során számos érdekességre fényt derített a fény fizikájával kapcsolatban, és a jövő tudósai remélhetőleg profitálnak majd ezekből az eredményekből. Fraunhofer ennek megfelelőn kevés elismerést kapott életében. Munkásságának jelentőségét még az olyan tudományos nagyságok sem voltak képesek felismerni, mint Hans Christian Ørsted vagy John Herschel, akik az intézetbe ellátogatva egyszerű kisiparosnak tartották a bajor optikust. Ezen persze az sem segített, hogy az Optikai Intézet munkatársai mindent megtettek azért, hogy titokban tartsák a legújabb mesterfogásokat, és így biztosítsák monopóliumuk megőrzését. Szűkebb hazájában Fraunhofer azonban kifejezetten ismertnek és népszerűnek számított. Miután 1818-ban az Optikai Intézet igazgatója lett, heves viták robbantak ki hiányos akadémiai képzettsége miatt, végül azonban 1821-ben a Bajor Királyi Tudományos Akadémiai tiszteletbeli tagjává választották, majd 1822-ben díszdoktori címet kapott az Erlangeni Egyetemtől. 1824-ben nemesi címet kapott, és München díszpolgárává választották. Két évvel később, 39 évesen tüdőgyulladásban halt meg, amihez valószínűleg nagyban hozzájárult, hogy munkája során gyakran került kapcsolatba különféle mérgező gázokkal. A 19. század elején a csillagok kémiai és fizikai tulajdonságainak megállapítása még elérhetetlen célnak tűnt. A század közepén azonban többek közt Anders Ångström, Léon Foucault és George Stokes kutatásainak köszönhetően egyre világosabbá vált, hogy a Fraunhofer-vonalak valóban elárulnak valamit a fényforrás természetéről. A szakértők rájöttek, hogy a Nap spektrumában detektált vonalak közül kettő helye egyezik a laborban elégetett nátrium színképének vonalaival. Ebből aztán arra következtettek, hogy a Nap minden bizonnyal nátriumot tartalmaz.
A 1850-es évek végén két kutató, Gustav Kirchhoff fizikus és Robert Bunsen vegyész megerősítette, hogy a Fraunhofer-vonalak a Nap légkörében található különféle kémiai elemek jelenlétéről árulkodnak. Pár évvel később William Huggins megállapította, hogy a Földön és a Napban azonosított anyagok más csillagok színképében is felbukkannak. A Fraunhofer-vonalak mintázata és spektrumbeli helye alapján tehát meg lehet mondani, hogy milyen anyagokból áll egy adott csillag. Napjainkban már jóval pontosabban tudjuk, hogy valójában mi is okozza a sötét sávok megjelenését. Az égitest belsejében keletkező energia nagy része fotonok formájában indul el a csillag felszíne felé, és ahogy áthalad a rétegeken, elnyelődik az ott található anyag ionizált atomjaiban. A specifikus atomok csak bizonyos hullámhosszú fotonokat képesek elnyelni, ezek a hullámhosszak pedig abszorpciós vonalak (hiányok) formájában jelennek meg az emissziós színképen. A Napból kilépő fény tehát a legkülső réteg emlékét őrzi, megmutatva, hogy mely hullámhosszak nyelődtek el a légkörben a fehér fényből, ebből pedig megállapítható, hogy milyen atomokon haladt át a sugárzás. A vonalak erőssége a velük társított elem gyakoriságára utal, méretük és formájuk pedig a csillag hőmérsékletéről, a benne uralkodó nyomásról és az anyag áramlásáról árul el információkat. Az 1860-as években megkezdődött a csillagok Fraunhofer-vonalak alapján történő kategorizálása. Angelo Secchi atya, a Collegio Romano csillagvizsgálójának igazgatója az abszorpciós vonalak határozottsága és szélessége alapján csoportosította az égitesteket. A 18. század végéig úgy hitték a kutatók, hogy a csillagok távolsága kiszámítható lehet látszólagos fényességük alapján. Azt feltételezték ugyanis, hogy minden ilyen égitest egyforma intenzitással világít, így a halványabbak messzebb, a fényesebbek közelebb helyezkednek el. Lassacskán aztán kiderült, hogy ez nem lehet igaz: a csillagok abszolút fényessége nagyon széles határok közt mozog. Az a remény azonban megmaradt, hogy ha megfelelően sikerülne kategorizálni a különböző égitesteket, relatív fényességük mégis használható lehet valamire.
A besorolás még bonyolultabbá vált azonban, amikor Edward C. Pickering és kollégái fotólemezeket kezdtek használni a színképek rögzítésére. Lassacskán kiderült, hogy a csillagok többsége a Fraunhofer-vonalak alapján kis számú eltérő kategóriába sorolható, vagyis a csillagok összetételükben kevés eltérést mutatnak. Az 1920-as években aztán Cecilia Payne kimutatta, hogy a spektrumvonalak mintázatában észlelt minimális eltérésekért elsődlegesen a hőmérsékleti különbségek tehetők felelőssé, nem pedig az eltérő összetétel. A felszíni hőmérséklet ugyanakkor jó alapnak tűnt a további csoportosításhoz, hiszen joggal remélték a szakértők, hogy ezt egy napon összefüggésbe tudják hozni a csillagok fényességével is, és ezen adatok alapján talán kiszámítható lehet az égitestek távolsága. Ezek az előzmények vezettek tehát a 20. század elején a Hertzsprung–Russell-diagram összeállításához, amelyről a csillag színképosztálya (és ebből következő felszíni hőmérséklete) ismeretében leolvasható annak abszolút fényessége, abból pedig már megállapítható távolsága is. Fraunhofernek köszönhetjük az univerzum tágulásának felfedezését is. Az 1920-as években Edwin Hubble és Milton Humason igazolta, hogy a Tejútrendszer közvetlen szomszédait kivéve minden megfigyelt galaxis csillagainak színképvonalai a spektrum vörös végének irányába tolódnak el, vagyis ezek hullámhossza megnyúlni látszik, ami arra utal, hogy távolodnak tőlünk. A vöröseltolódás mértékéből az is kiderül, hogy milyen sebességű ez a távolodás, és mivel a mérések alapján úgy tűnt, hogy a legtávolabbi galaxisok távolodnak a leggyorsabban, a szakértők arra a következtetésre jutottak, hogy mindez az univerzum tágulásával magyarázható. Fraunhofer fektette le tehát azokat az alapokat, amelyeknek köszönhetően idővel megtudhattuk, milyen távolságban vannak tőlünk a világegyetem különböző égitestjei, és hozzásegítette a szakértőket ahhoz, hogy megfejtsék a csillagfény kódolt üzenetét. Joseph von Utzschneider 1826-ban még nem is sejthette, hogy a jövő mennyire őt igazolja majd, amikor pályájának összefoglalásaként e szavakat vésette Fraunhofer sírkövére: Approximavit sidera, azaz Közelebb hozta a csillagokat.
Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

8. Atesz1987
2014.04.27. 10:13
Nagyon jó cikk! Talán a legjobb amit eddig itt olvastam. Informatív, olvasmányos, érthető, érdekes. Hasznos, ha ilyeneket olvas az ember. A csillagászok, asztrofizikusok munkája sokszor kuruzslásnak tűnik, pedig az ilyen cikkekből kiderül, hogy nagyon is tudományos alapokon nyugszik. Érdekes, hogy még a jobb gimnáziumokban sem foglalkoznak eleget a témával, pedig a cikk alapján elmondható, hogy megértheti az átlag ember is, ha jól magyarázzák. Még sok ilyent!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
7. Helbika20
2014.04.27. 12:04
Teljesen egyetértek az előttem szólóval, szinte szóról szóra ugyanezt írtam volna le. Emelem kalapom a cikk írója előtt! :-)
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
6. Asagrim
2014.04.27. 12:25
Nagyon hasznos cikk, innentől lesz iponnak saját cikke, amit lehet linkelni a későbbiekben azoknak, akik kifigurázzák az x fényévre levő égitestek összetételéről szóló kijelentéseket.

Erre már akkor gondoltam, hogy hasznos lesz, mikor a Cosmos: A Spacetime Odyssey ismeretterjesztő sorozat egyik része pontosan erről szólt, de most itt van magyarul, mindenki számára félreértelmezhetetlenül.

Köszönjük!
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
5. tibaimp
2014.04.27. 18:33
Valóban jó cikk, kösz.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
4. CyberPunk6...
2014.04.27. 21:04
Szerettem az egyetemen, amikor anyagösszetételeket kellett meghatározni az egyik laborfoglalkozáson. A tanár kikevert valami random oldatot, és meg kellett határozni az ismeretlen anyag összetételét és a koncentrációkat.

Nagyon tetszett, hogy az elnyelődésekkel és egy táblázattal gyakorlatilag bármilyen ismert anyag összetétele felderíthető.

CSI sorozatokban is sokat használják a gépet.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. Lordhell
2014.04.28. 23:37
És lőn sperktrofotométer . Nagy koponya, neki hála órákat lehet kvarcküvettákkal szórakozni .
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. Lordhell Cyber...
2014.04.28. 23:41
Majdnem mindenre jó, de azért sokra csaknem, azért ezt már túléptük ICP-vel, GC-vel és a HPLC-vel. Gyorsabb analitikai elemzésre, esetleg célmeghatározáshoz jó az UV/Vis spektrofotométer.

"Mert amidőn eléred az abszorbancia maximumot, ott lészen az igazság..." ismeretlen kémikus
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. fofoka Atesz...
2014.04.30. 20:48
"A csillagászok, asztrofizikusok munkája sokszor kuruzslásnak tűnik, pedig az ilyen cikkekből kiderül, hogy nagyon is tudományos alapokon nyugszik."

Hát, ha csak ezekből a cikkekből derül ki..
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!