Misterija crvenog Sirijusa

U neopravdano zaboravljenom remek-delu satire, Ostrvu pingvina, francuskog nobelovca Anatola Fransa, objavljenom pre tačno stotinu godina (1908), jedna od brojnih crnohumornih epizoda ismeva zdravorazumsko empirijsko saznanje o boji predmeta. Meštani Alke na pitanje starešina kakve je boje bila aždaja koja je prethodne noći tobože prouzrokovala razaranje u selu, odgovaraju:

„Crvena.”
„Zelena.”
„Plava.”
„Žuta.”
„Njena glava je svetlozelena, krila su joj sjajnonarandžasta, itd.”
„Njena boja? Nije imala boju!”

Da bi se stvar završila briljantno razumnim odgovorom jednog meštanina: „Njena boja je boja aždaje.”

Boja igra ogromnu ulogu u brojnim oblastima ljudske delatnosti od saobraćaja, preko slikarstva, do teorije elementarnih čestica (mada tamo nema mnogo veze sa uobičajenim značenjem), ali malo gde je njena uloga tako očigledna kao u zvezdanoj astronomiji. Među brojnim zagonetkama koje nam postavlja istorija nauke retko koja je interesantnija, a u isti mah i jednostavnija od misterije crvenog Sirijusa. Malo je problema koji uspešno spajaju istoriju astronomije, zvezdanu astrofiziku, fiziologiju vida, atmosferske nauke, klasičnu filologiju, te amaterska astronomska posmatranja! Istovremeno, to je dobar primer evolucione epistemologije kakvu je zagovarao ser Karl Poper, gde kroz eliminaciju grešaka i odbacivanje (falsifikaciju) hipoteza dolazimo sve bliže rešenju.

Sazvežðe Velikog psa

Svako je (nadam se!) video Sirijus bar poneki put; radi se o ubedljivo najsjajnijoj zvezdi na noćnom nebu, obično vidljivoj relativno nisko na južnom horizontu, posebno dobro vidljiv pre ponoći u jesenjim i zimskim mesecima. Od Sirijusa su sjajnije samo planete Venera i Jupiter (uvek kad ih vidimo), te Mars i Merkur kad su nam najbliži (naravno, Merkur se zbog svoje ugaone blizine Suncu toliko retko može posmatrati, naročito u urbanim krajevima, da ga i ne treba računati). Pošto je Sirijus Alfa (najsjajnija zvezda) sazvežđa Velikog psa (lat. Canis Maior), često se naziva i „Pasjom zvezdom”. Najdublje vezan za mnoge drevne tradicije čovečanstva, Sirijus je bio osnovica najdugotrajnijeg ljudskog kalendara, onog uspostavljenog u egipatskom Starom kraljevstvu, kada je nepoznati astronomski genije tog doba zapazio da prvi jutarnji izlazak Sirijusa najavljuje nadolaženje vode Nila. Pod imenom Sotis, ova zvezda bila je jedno od najsvetijih nebeskih tela egipatske civilizacije, odakle su se mitovi i znanja vezani za nju raširila po čitavom mediteranskom svetu, pa i dalje.

Ova raširenost posmatranja Sirijusa čini celu zagonetku o kojoj ćemo pričati još bizarnijom. Naime, prema savremenim astronomskim predstavama – koje jednostavan uvid svake vedre zimske noći može potvrditi – Sirijus je arhetipska bela zvezda, spektralne klase A, oko dvaput toplije površine od Sunca i dvostruko veće mase, a desetak puta većeg sjaja od naše zvezde. On izgleda tako sjajan na nebu pre svega zato što je veoma blizu – svega oko 2,7 parseka (nešto manje od 9 svetlosnih godina), što je naše najbliže susedstvo; bliži su nam samo trostruki sistem Alfe Kentaura i neobični crveni patuljak poznat kao Barnardova zvezdai. Njegova žuto-beličasta svetlost jasno je vidljiva svakom posmatraču.

Klaudije Ptolomej

Najčuveniji aspekt Sirijusa jeste njegov tamni pratilac. Još u 19. veku otkriveno je da neke sjajne zvezde, među njima Sirijus i Procion, „lelujaju” dok se kreću u odnosu na pozadinu udaljenih i gotovo nepomičnih zvezda i galaksija. Jedini fizički smislen razlog za ovo čudno ponašanje moglo bi biti postojanje masivnog, ali veoma tamnog objekta u orbiti oko ovih zvezda. I doista, 1862. godine američki astronom Alven Klark otkrio je Sirijus B – zvezdu mase sličnu Sunčevoj, ali čak 10 hiljada puta manjeg sjaja od svog sjajnog pratioca (koji se od tada, prirodno, označava kao Sirijus A). Ovo je bio prvi otkriveni predstavnik nove vrste objekata – belih patuljaka, zvezda ekstremno male veličine (Sirijus B je po veličini sličan Zemlji, dakle hiljadu puta manji po prečniku od Sunca) i izuzetno velike gustine. Bilijarska kugla sačinjena od materijala Sirijusa B imala bi masu od oko 70 tona, sličnu masi teškog tenka. Sudbina većine zvezda u svemiru, uključujući i naše Sunce, jeste da u jednom trenutku u budućnosti, kada iscrpu termonuklearno gorivo u svojim središtima, postanu beli patuljci.

Međutim, zagonetka o kojoj ovde govorimo odnosi se na vidljivi Sirijus. Već smo rekli da se danas svako može uveriti u belu boju ove najsjajnije golim okom vidljive zvezde. Nije, stoga, čudno što su se astronomi zapanjili kada su još pred kraj 18. veka uočili da ga slavni astronom starog veka Klaudije Ptolomej u svom Almagestu (napisanom oko 150. godine) poredi sa očigledno crvenim zvezdama, kakve su Betelgez (Alfa Oriona, izrazito crvene boje), Antares, Aldebaran ili Arktur (narandžasto-crven po savremenim klasifikacijama) i naziva crvenom zvezdom, koristeći karakterističnu grčku reč hipokeros. I drugi antički autori govore o crvenom Sirijusu, poput pesnika Arata ili slavnog rimskog filozofa i pisca Lucija Aneja Seneke, koji o Sirijusu piše kao o crvenijem od Marsa. Latinski tekst knjige Sv. Gregorija iz Tura (VI vek) opisuje ovu sjajnu zvezdu kao rubeola, odnosno „crvenkastu”.

Svi znamo da ljudi mogu malo ili više pocrveneti prilično brzo (zato što se stide, zato što su bolesni i/ili iz ideoloških razloga) – ali, da li se to dešava i zvezdama? Standardna teorija zvezdane evolucije kaže da su drastične promene boje zvezda na skali od svega oko hiljadu godina sasvim nemoguće. Šta su onda videli antički astronomi? To je “zagonetka crvenog Sirijusa”.

Prvo treba raščistiti sa jednom zabludom čestom u popularnim prikazima istorije nauke u moderno doba: Seneka, Ptolomej i drugi nisu bili ništa manje pametni naučnici ili lošiji astronomi od svojih intelektualnih naslednika, računajući tu i današnje astrofizičare. To što su imali na raspolaganju daleko slabija materijalna sredstva i resurse, te (još mnogo značajnije) što je njihova teorijska baza objašnjenja bila siromašnija, ne treba da nas navede na zaključak da su im posmatranja bila išta manje ozbiljna, njihova intelektualna snaga ili želja za saznanjem išta manja nego kod savremenih naučnika. Kao i uvek kada imamo posla sa istorijskim činjenicama, valja da odbacimo egocentričnu “vigovsku” interpretaciju istorije po standardima današnjeg saznanja ili današnje korisnosti i da shvatimo ljude prošlih vremena unutar njihovog konteksta – pre svega ozbiljno.

Lepota ove zagonetke jeste u tome što različite discipline kojih se ona dotiče, od klasične filologije do atmosferske fizike, mogu ponuditi najrazličitije hipoteze, od kojih je neke jednostavno opovrgnuti (u skladu sa Poperovom filozofijom falsifikacionizma), dok je kod drugih to znatno teže. Pođimo od ovih lakših slučajeva koji se odnose na moguće lingvističke ili fiziološke razloge:

1. U antici su reči za boje bile drugačije, tako da kada mi prevodimo hipokeros kao „crvenkast” to zapravo ne odgovara našoj današnjoj semantici, već se radi o boji sličnoj beloj.
2. Antički posmatrači su usled razloga koji imaju veze sa ljudskom evolucijom (ili preovlađujućim načinom ishrane) imali drugačiju fiziologiju oka od današnjih ljudi, te se njima doista činilo da je crveno ono što je, u stvari, belo, poput Sirijusa.

Seneka

Namerno ovde navodim hipoteze koje se nisu nužno pojavljivale u literaturi ili koje nam se čine očigledno smešnim, da bih pokazao kako „prirodno odabiranje” hipoteza funkcioniše u praksi. Jasno je da se hipoteze 1 i 2 mogu odbaciti samom analizom rečenih tekstova: Ptolomej stavlja Sirijus zajedno sa nesporno crvenim zvezdama poput Antaresa, dakle, podupire jezičku odrednicu konkretnim fizičkim primerom. Ako istu reč drugi autori koriste za krv, to svakako neće implicirati da je dotična ljudska tečnost u antici bila drugačije boje nego danas, zar ne? Seneka to radi sa Marsom, i to pišući na drugom jeziku, stotinak godina ranije. Elementarni zahtev logične koherencije ukazuje da se radi o valjanom opisu njihove percepcije. Ali zašto se ona razlikuje od naše?

Ako su ljudski posmatrači i njihovi zapisi bili u redu, šta je sa „drugim krajem” prenosa informacija, tj. sa samim Sirijusom? Da li je moguće da je on bio u toj meri drugačiji pre svega 1500 godina, što je u astronomskom kontekstu poput treptaja oka? Tu imamo opet nekoliko mogućih hipoteza:

3. Vidljivi Sirijus (tj. komponenta A) je zbog fizičke promene boje bio doista crven u doba antičkih posmatrača.
4. Sirijus B je bio crveni džin pre samo par hiljada godina, a tek nedavno (u astrofizičkim terminima) je postao beli patuljak kakvog vidimo danas. S obzirom da je u fazi crvenog džina daleko sjajem nadmašivao svog saputnika, Sirijus A, jasno je da Ptolomej, Seneka & co. nisu mogli ni zapaziti išta drugo do jarko crvenu boju celog Sirijusovog sistema.

Planetarna maglina

Nažalost, ni ovde situacija nije bolja: zvezdana astrofizika, jedna od najbolje dokumentovanih i empirijski potvrđenih grana prirodnih nauka, savršeno je jasna: promene boja kod zvezda traju milionima godina, a ne tek vekovima. Što se tiče ideje o skorašnjem crvenom džinu, ona ne stoji išta bolje, ne samo zbog suviše kratke vremenske skale za tu vrstu promene, već i iz jednog dopunskog razloga. Naime, tačno je da crveni džin vremenski prethodi stadijumu belog patuljka, ali je prelazak iz jedne u drugu fazu praćen otpuštanjem spoljnih omotača crvenog džina i formiranjem magline oko kolapsirajuće zvezde.

Ova vrsta maglina – poznata kao planetarne magline – veoma je česta u našoj Galaksiji i prilično je dobro proučena vrsta objekata. Mi smo u stanju da posmatramo planetarne magline na udaljenosti od mnogo kiloparseka, tako da bismo svakako bili u stanju da uočimo planetarnu maglinu na manje od tri parseka od Zemlje. A ni posmatranja astronoma prethodnih vekova, a ni korišćenje velikih teleskopa današnjice nisu otkrila ni traga od takve obližnje planetarne magline. Nasuprot tome, moderna posmatranja i poređenja sa modelima evolucije belih patuljaka objavljena 2006. godine ukazuju da je starost Sirijusa B znatno, znatno veća – da je on postao beli patuljak pre oko 120 miliona godina. Dakle, sistem Sirijusa doista se video kao crveni džin i imao crvenu boju...ali u geološkom periodu jure, dok su dinosauri vladali našom planetom, daleko, daleko pre klasične antike!

Šta nam onda ostaje? Ukoliko je sistem Sirijusa bio isti u antici kao i danas, te ako su i astronomi bili suštinski isti tada kao i danas, logički nam ostaje mogućnost da je nešto bilo drugačije između Sirijusa i nas. Ovde postoje dve varijante, obe povezane sa fizičkim procesom poznatim kao ekstinkcija (u bukvalnom prevodu: izumiranje) svetlosti, koji nam je itekako poznat iz svakodnevnog iskustva. Naime, postoji jedan izvor svetlosti koji u bukvalnom smislu svakodnevno menja boju zbog ekstinkcije, a to je Sunce – svako zna da je ono crveno pri izlasku i zalasku, dok je tokom ostalog dana žute boje (kakvo je i odista). Isto se, mada u manjoj meri, zapaža kod vidljivog dela Mesečevog diska. Zašto je Sunce crveno kada je nisko nad horizontom? Odgovor je: zbog atmosferske ekstinkcije (ponekad se naziva i telurskom, da bi se naglasilo njeno zemaljsko poreklo).

Naime, fotoni sa Sunca bivaju apsorbovani i rasejani na aerosolima (prevashodno česticama prašine) u našoj atmosferi, a ovaj proces rezultuje – iz razloga koji imaju veze sa interakcijom svetlosti i materije i objašnjeni su detaljno tek Fajnmenovom kvantnom elektrodinamikom – povećanjem talasne dužine fotona. Pošto crveni fotoni imaju veće talasne dužine od žutih, svetlost postaje sve crvenija kako više prašine ima u sredini kroz koju prolazi. Pošto, kada je Sunce nisko nad horizontom, njegova svetlost prolazi kroz daleko deblji sloj atmosfere nego kada je visoko na nebu, i samim tim kroz mnogo više atmosferskih čestica prašine (koje se ionako grupišu na malim visinama), logično je da nam tada, bilo da se radi o izlasku ili o zalasku Sunca, naša zvezda izgleda znatno crvenija nego što uistinu jeste. Glavni izvori prašine, pored ljudske aktivnosti (smog), jesu vulkani, isparenja iz okeana, erozija vetrom i prirodni pepeo.

Slična pojava se dešava i u međuzvezdanom prostoru – i nosi logičan naziv međuzvezdana ekstinkcija – uz nekoliko bitnih razlika. Najvažnija među njima je da je međuzvezdana prašina znatno sitnija od ove na koju smo navikli na Zemlji i koja pravi probleme svim domaćicama. Stoga je tačan oblik zakona ekstinkcije nešto drugačiji za međuzvezdanu prašinu u odnosu na atmosfersku. Druga bitna stvar jeste da je međuzvezdana prašina znatno više koncentrisana u dobro definisane oblake nego što je slučaj sa zemaljskom. Ali generalni efekat crvenjenja zvezda čija svetlost prolazi kroz oblake prašine u međuzvezdanom prostoru poznat je još od 1929. godine kada ga je otkrio švajcarsko-američki astrofizičar Robert Trampler.

Ideja o ekstinkciji kao uzroku crvenjenja Sirijusa vodi nas do sledećih dveju hipoteza:

5. Sistem Sirijusa je fizički bio isti u antičko doba i danas, ali se u antici između njega i nas nalazio mali i kompaktni oblak međuzvezdane prašine (tehnički poznat kao globula), koji je svojom ekstinkcijom činio da nam pozadinska zvezda izgleda crvenija.
6. Sistem Sirijusa je fizički bio isti u antičko doba i danas, ali se u antičko doba u atmosferi naše planete nalazilo više aerosola koji su izazivali atmosfersku ekstinkciju jaču od današnje (možda kao posledica velike vulkanske erupcije ili pada meteorita daleko od mediteranskog basena).

Ove hipoteze već nije lako odbaciti, što ne znači da one nemaju takođe veoma ozbiljne probleme. Glavni problem je posledica još jednog našeg svakodnevnog iskustva sa ekstinkcijom: pored toga što je crvenije, Sunce se na zalasku ili izlasku razlikuje još po nečemu od, recimo, podnevnog – naime, moguće ga je gledati golim okom. Drugim rečima, sjaj Sunca je znatno manji kada je ekstinkcija jaka. Ovo se odnosi, naravno, i na sve ostale izvore svetlosti i na sve ostale slučajeve ekstinkcije: i zvezda koje posmatramo kroz prašnjave međuzvezdane oblake imaju daleko manji sjaj nego što bi inače imale kada oblak ne bi bio između nje i nas.

Ovo se podjednako odnosi i na Sirijus. Da bi Sirijus postao crven za posmatrača na Zemlji, neophodna je vrlo snažna ekstinkcija, bilo atmosferska bilo međuzvezdana. Ali ta snažna ekstinkcija istovremeno čini i da je njegov sjaj daleko, daleko manji od onog koji vidimo kad ga posmatramo bez te snažne ekstinkcije. Dakle, ukoliko je bilo koje objašnjenje crvene boje Sirijusa zasnovano na pojačanoj ekstinkciji (u odnosu na onu koju Sirijusova svetlost i danas doživljava, naročito kada je nisko pri horizontu), on nikako ne bi mogao biti najsjajnija vidljiva zvezda na noćnom nebu, već daleko bleđi i manje upadljiv objekat! Na ovo se nadovezuje srodna teškoća: samo zvezde visokog sjaja, kad se posmatraju golim okom, zapravo imaju boju!

Naime, od dve vrste ćelija u ljudskom oku, na boju su osetljive samo one kojima je potrebno mnogo svetlosti da bi se aktivirale (zato se u polumraku gube boje predmeta). Ko god pogleda pažljivije noćno nebo, videće da pored sjajnih zvezda poput Sirijusa, Betelgeza, Rigela ili Arktura koje imaju jasno definisane boje, najveći broj zvezda zapravo deluje bez određene boje. Ovo znači da previše jaka ekstinkcija zapravo ima samo-poražavajuće dejstvo – umesto da oboji Sirijus u crveno, ona bi ga učinila sasvim bezbojnim!

Ipak, i pored ovih ozbiljnih teškoća, moguće je da u objašnjenju preko ekstinkcije ima i deo istine, barem u vezi sa hipotezom broj 6. Ovo potiče pre svega iz činjenice da se jedan deo atmosferske ekstinkcije nikako ne može isključiti – čak i pre savremenog doba u kome većina aerosola potiče od zagađenja koje proizvode ljudi, nebeska tela posmatrana nisko pri horizontu bila su izložena snažnijoj ekstinkciji u atmosferi naše planete. Još jedan bitan faktor koji se obično zanemaruje, a na koji je skrenuo pažnju najveći proučavalac misterije crvenog Sirijusa, savremeni američki optičar i istoričar astronomije Rodžer Keragioli jeste profil horizonta. Savremeni čovek veoma retko direktno vidi liniju horizonta golim okom, s obzirom na to da ga gotovo svuda okružuju zgrade i druge antropogenične strukture.

Čak i kada ga vidi, zagađenje (u oba vida, i aerosolno i svetlosno) je danas suviše jako da bi se bilo koje nebesko telo osim Sunca i Meseca videlo kada je doista na samom horizontu i neposredno iznad njega. Ovo je potpuno suprotno situaciji antičkih astronoma koji su imali prilike da posmatraju izlaske i zalaske čak i zvezda manjeg sjaja, da objekat kao što je Sirijus i ne pominjemo. Zapravo, za antičke astronome su upravo izlasci i zalasci bili od najvećeg značaja, bilo da su ih koristili, poput Egipćana, u kalendarske ili, poput Ptolomeja, u astrološke svrhe. A objekti blizu horizonta ne samo što podležu najjačoj atmosferskoj ekstinkciji, već i snažno trepere, kao posledica jako promenljivog prelamanja zbog strujanja vazduha duž linije vida. Treperenje je, takođe lako uočavamo iz svakodnevnog iskustva, povezano sa brzim promenama boje.

Tako dolazimo do pomalo anti-klimaktične Keragiolijeve hipoteze:

7. Posmatrači u antici su što iz astroloških, što iz praktičnih razloga (i zahvaljujući drugačijoj tipičnoj konfiguraciji terena) posmatrali Sirijus najviše veoma blizu horizonta, gde snažna atmosferska ekstinkcija i treperenje mogu da učine da on bar na mahove izgleda crvenkasto. Kada se ova predstava jednom uvrežila, kasniji pisci su samo ponavljali prethodne tvrdnje, ne mareći da lično izvrše posmatranja.

Ovome ide u prilog i činjenica da su opsežna istorijska istraživanja utvrdila da se u drevnoj kineskoj astronomiji, gde Sirijus nije imao onaj praktični i astrološki značaj kao u mediteranskom basenu, na ovu zvezdu nigde ne referiše kao na crveni objekat. Gde je istina? Jedna od pouka ove priče jeste i to da je ovo pitanje u naučnom kontekstu zapravo promašeno. Nauka se ne bavi potragom za istinom na način na koji se ova reč shvata u svakodnevnom kontekstu. (Druga je stvar što se u pojedinim naukama, naročito onim matematičkim, istini pridaje posebno tehničko značenje, recimo ono vezano za značenje simbola u Bulovoj algebri logike.) Nauka se bavi potragom za objašnjenjem fenomena u prirodi (ili društvu), i to ne univerzalnog i nepromenljivog objašnjenja kakvo nude religijske ili političke doktrine, već jednostavno najboljeg objašnjenja koja ljudima, sa svim našim saznajnim ograničenjima, stoji na raspolaganju.

U tom smislu je zagonetka crvenog Sirijusa dobra ilustracija post-pozitivističkog razumevanja prirode naučnog saznanja: u postojećim uslovima izgleda da je Keragiolijeva hipoteza (u našem narativu broj 7) najbolje objašnjenje poznatih činjenica. Moguće je, mada ne i verovatno, da će se sutra ili za stotinu godina ovo stanje promeniti i neka se druga hipoteza, koja nikome do sada nije pala na pamet, pokazati kao uspešnija. Naučna potraga je uvek „traganje bez kraja” – i upravo to čini njenu večnu svežinu i privlačnost.