Éjjelente felpillantunk a csillagos égre és fénypontokat látunk. Pislákolnak, vibrálnak, és felettébb csodás pillanatokat okozhatnak egy romantikus éjszakán. Meg baromi sok munkát, ha csillagászok vagyunk. De honnan indul és min megy keresztül a fény mire a szemünkbe (vagy épp detektorunkba) jut?

Schmall Rafael, magyar asztrofotós Namíbiában készült felvétele a Tejútról.

A fény létrejöttére a választ a csillagok legbelsejében kell keresnünk. Ott van ugyanis elég nagy hőmérséklet (Univerzumunk jelenlegi korában) az úgynevezett fúzióhoz. Csillagaink anyagának (és a már említett Univerzum látható részének) döntő többsége kis elemekből – főként hidrogénből és héliumból – áll. Ezek ütközés útján történő egyesülése (a legtöbbször korántsem egyszerű, és olykor részecskefizikai folyamatok hosszú láncolata) során az atommag kötési energiája szabadul fel nagy energiájú fotonok – fényrészecskék – formájában. Ráadásul, hogy mindez működjön, még a kvantummechanikából ismert alagúteffektus jelenségére is szükség van, ami lehetőséget biztosít a klasszikus fizika szerint csak sokkal magasabb - még a csillagok belsejében sem fellelhető - hőmérsékleten bekövetkező folyamatokra (például az atommagok ütközésére). De mindenesetre örülünk, megszületett a fény!

A fantáziaképen galaxisunk legfényesebb csillagainak egyike, a "Pisztoly-csillag", mellette pedig a két leggyakoribb fúziós folyamat ábrája, ami a csillagokban végbemegy. Jobbra fent a proton-proton ciklus, balra lent pedig a CNO-ciklus (szén-nitrogén-oxigén) folyamata. Mindkettőben γ jelöli a létrejövő (nagy energiájú) fényrészecskét. (Képek forrása: beyond-universe.fandom.com, Wikipédia)

Viszont valahogy ki kell jutnia a csillag belsejéből. Ez elsőre nem tűnik nehéz kihívásnak, viszont számolnunk kell vele, hogy a víznél több tízszer-százszor (10x-100x) nagyobb sűrűségű anyagon kell átverekednie magát akár több százezer, több millió (100 000-1 000 000) kilométeren keresztül. Nem is megy neki elsőre. Rengetegszer találkozik mindenféle részecskékkel a csillagbelsőben, jellemzően minden CENTIMÉTEREN… kilométerek százezrein-millióin keresztül! Ezeken a részecskéken szóródik, vagy elnyelődik, hogy később újra kisugárzódjon. Ezalatt terjedésének iránya is megváltozik, és csak bolyong és bolyong hosszú évezredeken át a csillagbelsőben, mire végre kijut a csillag felszínére. Közben folyamatosan veszít az energiájából, ami számunkra egy igen kellemes mellékhatással jár, mégpedig hogy szemünk számára láthatóvá válik. És még csak most indul el galaktikus-extragalaktikus útjára, amely éveken, évezredeken, évmilliókon vagy akár évmilliárdokon át tarthat attól függően, hogy honnan indult el felénk.

A fény hosszú bolyongásának (közel sem méretarányos) szemléltetése (Forrás: Light Beyond The Bulb twitter oldala (@lbtb_yyj))

Lévén a fénysebesség sem végtelenül nagy (nagyjából “mindössze” 300 000 km másodpercenként), a fénynek időbe telik elérni hozzánk, minél messzebbről érkezik, annál többe. Nem véletlen, hogy ezekre az irdatlan távolságokra a csillagászok a billió kilométerek helyett bevezették a fényév fogalmát, amely a fény vákuumban egy év alatt megtett útjának hosszát (945 425 495 548,8 kilométert) jelenti. A csillagok, amelyeket az égre pillantva egyedi fénypontokként látunk, mind a saját galaxisunk, a Tejútrendszer csillagai, és azok közül is a legközelebbiek (értsd: a szomszédos párezer fényéven belüliek). A Tejút távolabbi csillagai összeolvadó fényes sávként, a más galaxisok csillagainak együttes fénye kisebb-nagyobb homályos ködként tűnik fel a sötét égen.

Panoráma fotó az Európai Déli Obszervatórium Very Large Telescope műszeregyüttesének megfigyelőállomásáról.
Balra a két ködfolt a két Magellán-felhő, a horizont felett elterülő szülőgalaxisunknak, a Tejútrendszernek a kísérő galaxisai.
(Fotó: ESO/Y. Beletsky)

Hosszú útja során a fény számtalan akadállyal találhatja magát szemben:

• Rögtön a kibocsátásakor jelemtkezik egy, a hétköznapokból is ismert jelenség, a Doppler-effektus. Mind hallottunk már szirénázó autót elsuhanni mellettünk. A Doppler-effektus az, amikor közeledéskor magasabb, távolodáskor alacsonyabb (frekvenciájú) hangon halljuk a szirénát, mint álló helyzetben. A fény is mutat hasonló hullám tulajdonságokat (elképzelhetjük a fényt fotonok áradataként is), csak a fény frekvenciája színekben nyilvánul meg. A szirénázó autóhoz hasonlóan a közeledő fényforrások fényét (nagyobb frekvenciájúnak, azaz) kékebbnek, a távolodó fényforrásokét pedig (kisebb frekvenciájúnak, tehát) vörösebbnek látjuk. Ez a jelenség szemmel láthatatlan, ugyanakkor rendkívül fontos szerepet tölt be a csillagászati vizsgálatokban.
• Vándorútja során a fény egyrészt találkozhat csillagközi anyaggal, amelyben ugyanúgy szóródik, elnyelődik, mint ahogyan a csillagbelsőben tette. Szerencsére a világűrben nincs akkora tumultus, mint egy csillagbelsőben, viszont cserébe hatalmas távolságokon át fennáll a találkozás lehetősége, ami jelentős mértékben befolyásolhatja a hozzánk eljutó fény mennyiségét és/vagy színét (jellemzően veszít energiájából a fény, így vörösödik).

Az Angyal-ködként is emlegetett porfelhő részlete Rogelio Bernal Andreo felvételén,
amelyet 2016. április 28-án a Nap csillagászati képének választottak. (Forrás: APOD (Astronomy Picture of the Day))

• Másrészt valami kompaktabb égitest is kitakarhatja a fényforrásunkat, ilyenek a különböző fedési jelenségek. Keringhet például több csillag egymás körül, és időről időre az egyik kitakarja a másikat, vagy akár exobolygókkal is rendelkezhet a csillag, amelyek ugyanúgy elfedhetik a felénk néző csillagkorong egy részét. Ilyenkor az egy-egy csillagról érkező fénymennyiségben csökkenést tapasztalunk, habár ez a csökkenés csak a legközelebbi kettőscsillagok esetében vehető észre szabad szemmel, exobolygók megfigyeléséhez minden esetben távcsövekre van szükségünk.
• Emellett egyenes útjába időnként masszív tömegek is kerülnek. Einstein általános relativitáselmélete óta a gravitációra inkább a téridő görbületeként gondolunk, semmint olyan erőként, amelyet a tömeggel rendelkező testek okoznak. Úgy képzelhetjük el, mintha egy kifeszített lepedőre golyókat helyeznénk, amelyek alatt az besüpped. A téridő ezen besüppedésein a fény úgy bucskázik keresztül, ahogyan egy begurított kisebb golyó is eltérülne a gödrök peremén. Emiatt rengeteg fény térülhet el látóirányunkból, ugyanakkor szerencsés elrendezésben egy ilyen hupli peremén akár össze is fókuszálódhat a fény, és felerősödik a fényforrás képe. Ezt hívjuk gravitációslencse-hatásnak.

Az Abell S1063 galaxis csoportosulás a Hubble Űrtávcső felvételén. A képen megjelenő körkörös ívek nem leképezési hibák,
hanem a hatalmas tömeg térgörbítő hatása. (Fotó: NASA/Hubble)

Ezeken túl még ki tudja mennyi eddig felfedezetlen jelenségen mennek át a fotonok, amíg megérkeznek a Földhöz. És bolygónk légkörének tetején még rengeteg viszontagság áll a fény előtt, mire célba jutna. A légkörünk ugyanolyan szóró/elnyelő közegként viselkedik, mint a csillagközi anyag. Kék egünket például atmoszféránk kémiai összetételének köszönhetjük, mert a jelen lévő atomok, molekulák egyvelegén a kék fény szóródik a legjobban, és a vörös a legkevésbé. Ezért van az, hogy minél alacsonyabban van a látóhatár, vagy idegen szóval horizont felett egy égitest, annál vörösebbnek látjuk, hiszen minél alacsonyabban látjuk, annál vastagabb légkörrétegen kell átverekednie magát, és annál több kék fény szóródik ki más irányokba.

A két képen ugyanaz a Nap nyugszik le két különböző bolygón. Balra a franciaországi Marseille-ben, 2012-ből; jobbra a Marson lévő Gale-krátertől készült 2015-ös felvétel látható a nyugvó Napunkról Damia Bouic montázsán. A marsi naplemente az arányaiban nagy mennyiségű por és a légkör összetétele miatt kék színű. Hasonlóan fakó színű naplementében lehet részünk a Földön, amikor nagyobb mennyiségű (sivatagi, esetleg vulkanikus eredetű) por kerül a légkörbe. (Forrás: APOD, 2015. május 12.)

Ugyanezen légkör miatt látjuk pislákolni a csillagokat. A felettünk lévő levegőréteg egyben úgy is működik, mint egy furcsa szemüveg. Csak ez a szemüveg minden pillanatban változtatja a tulajdonságait, ahogyan változik a szeleknek köszönhetően a levegő nyomása, hőmérséklete, sűrűsége. Emiatt minden pillanatban más és más mennyiségű fény szóródik ki és jut tovább a szemünkbe, és mi ezt érzékeljük vibrálásként vagy pislákolásként.

Manapság a csillagászok messze nem elégednek meg a szabad szemmel történő megfigyelésekkel. Már több mint négyszáz éve használunk távcsöveket, hogy összegyűjtsük sötétben eléggé érzéketlen szemünk számára a fényt egy a pupillánknál jóval nagyobb optikai felület segítségével, mintha csak mesterségesen kitágítanánk azt, hogy sokkal halványabb dolgokat is észrevehessünk az égen. De természetesen az optikai eszközök sem tökéletesek, és a különböző leképezési hibák nyomán a távcsőben is elvész némi fény az elméleti határhoz képest (bár jóval többet nyerünk vele, mintha egyáltalán nem használnánk). Emellett a fotográfia megszületése óta igyekszünk rögzíteni az égbolt állapotát a lehető legtöbb időpontban és irányban a lehető legnagyobb precizitással. A rögzítő eszközök vagy detektorok fény hatására valamilyen kémiai és/vagy fizikai folyamat révén elnyelik a fotont, és valamilyen formában - az anyagi tulajdonságok megváltoztatásával - eltárolják a képi információt.

A világ legnagyobb távcsöveinek egyike, a Very Large Telescope (VLT) távcsőegyüttes egyik főműszere, balján  az Androméda-köddel.
A VLT 4 darab több mint 8 méteres tükörátmérőjű távcsőből (és számos kiegészítő távcsőből, eszközből) álló rendszere Chile északi részén található. Az Androméda-galaxis 2,5 millió fényéves távolságával a hozzánk legközelebbi, velünk egy súlycsoportú spirálgalaxis. (Forrás: ESO)

A fény világűrbeli vándorútja során bekövetkező események nagy része csak távcsövek és az ember szeménél jóval érzékenyebb képrögzítők segítségével vált megfigyelhetővé. Mindazonáltal ma is minden foton az új felfedezés és fantáziánk gazdagodásának lehetőségét hordozza, ezért ezzel a szemlélettel mindenképpen érdemes legközelebb is feltekinteni az égre.

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fiction-ről egyaránt.