Kula w kosmosie jak igła w stogu siana

Od czasu do czasu w mojej głowie pojawiają się dziwne pytania, na które chciałbym znaleźć odpowiedź. Niekiedy są banalne, ale zdarza się, że choć wydają się głupie, prowadzą do ciekawych spostrzeżeń. Tym razem mój mózg postanowił skupić się na prostym zagadnieniu: jaki obiekt we Wszechświecie jest najbardziej okrągły?

Chodzi mi o to, jaki najbardziej kulisty obiekt kiedykolwiek znaleźliśmy – niekoniecznie najgładszy, ale najbardziej symetryczny, czyli taki, w którym każdy punkt na jego powierzchni znajduje się w tej samej odległości od jego środka (taka jest przecież definicja sfery).

Wiele dużych obiektów jest okrągłych i nie jest to przypadek. Winna jest grawitacja. Gdy obiekt kosmiczny się rozrasta, zwykle poprzez gromadzenie gazu lub zderzenia z innymi ciałami, jego masa rośnie – a zatem wzrasta również jego pole grawitacyjne. W pewnym momencie grawitacja staje się tak silna, że wszystko, co za bardzo wystaje, zapada się, a proces ten ostatecznie sprawia, że obiekt staje się kulisty. Mechanizm ten jest częścią naszego życia na Ziemi: zbyt wysoka góra skruszy się, a na plaży piasek można usypywać tylko do pewnej wysokości. Zawsze, gdy na ciele niebieskim zachodzą takie zmiany, staje się ono bardziej gładkie i kuliste.

Efekt ten pojawia się w przypadku obiektów o średnicy około 400 km, w zależności od rodzaju materiału, z którego są zbudowane. Tak więc prawie każde ciało o takiej lub większej średnicy będzie miało prawie kulisty kształt: duże planetoidy, księżyce, planety, a nawet gwiazdy.

A zatem, które z tych obiektów są najdoskonalszymi geometrycznie kulami? Trochę poszperałem, myśląc o wszystkich możliwych ciałach niebieskich, i w końcu otrzymałem zaskakującą odpowiedź: nasza najbliższa gwiazda – Słońce!

Ogólnie rzecz biorąc, gwiazdy są dość okrągłe, ale nawet te najbardziej okrągłe odbiegają od kształtu idealnej kuli. Głównym źródłem tego odchylenia jest rotacja, która wywołuje siłę odśrodkową.

W obracającym się układzie odniesienia siła odśrodkowa jest zjawiskiem realnym – jeśli znajdujesz się na zakrzywionej trajektorii, siła ta sprawia wrażenie, jakby coś wypychało cię na zewnątrz. Dla przykładu, jeśli siedzisz w samochodzie skręcającym w lewo, masz wrażenie, że jesteś wyrzucany w prawo, na zewnątrz zakrętu.

W przypadku wirujących kul siła odśrodkowa ma maksymalną wartość na równiku, gdzie prędkość obrotowa jest największa. Wielkość siły zależy od wielkości obiektu i prędkości jego wirowania – większe ciała doświadczają większej siły, a szybsze obroty również ją zwiększają.

Nie ma wątpliwości, że Słońce jest duże: na jego średnicy wynoszącej 1,4 mln kilometrów zmieściłoby się ponad 100 Ziem. Ale nasza gwiazda kręci się powoli, a jeden jej obrót zajmuje około miesiąca. To właśnie ten niespieszny ruch może zadecydować o zwycięstwie Słońca w konkursie na krągłość.

Grawitacja na powierzchni Słońca jest dość silna, około 28 razy większa niż na Ziemi – gdybyś stanął na jego powierzchni (i uniknął natychmiastowego wyparowania), ważyłbyś 28 razy więcej niż na naszej planecie. Jednakże siła odśrodkowa na równiku słonecznym jest znacznie słabsza; siła skierowana na zewnątrz, którą odczułbyś w wyniku obrotu naszej gwiazdy, wynosi zaledwie 0,0015% wartości grawitacji, która w tej chwili ściąga cię w dół. Nic dziwnego, że Słońce jest aż tak okrągłe.

Precyzyjny pomiar tego, jak okrągłe jest Słońce, okazuje się jednak trudny. Nie ma ono powierzchni tak jak Ziemia; jest zbudowane z gazu, więc jego materia staje się coraz rzadsza w miarę oddalania się od centrum. Chociaż w pobliżu „powierzchni” gęstość spada tak szybko, że z Ziemi krawędź Słońca wydaje się ostra. Pomiar wielkości Słońca z powierzchni Ziemi stanowi problem, ponieważ atmosfera ziemska jest turbulentna, przez co brzegu Słońca nie widać. Aby więc uzyskać naprawdę dobry obraz kulistości Słońca, astronomowie zwrócili się do wysłanego przez NASA kosmicznego teleskopu słonecznego Solar Dynamics Observatory (Obserwatorium Dynamiki Słonecznej). Dokonując bardzo dokładnych pomiarów, odkryli, że spłaszczenie Słońca – różnica między promieniem biegunowym a równikowym – jest niewiarygodnie małe i wynosi zaledwie 0,0008%. Oznacza to, że Słońce jest kuliste w 99,9992%. Wyniki te zostały opublikowane w czasopiśmie „Science Express”.

Słońce jest niesamowicie okrągłe. Co dziwne, naukowcy odkryli również, że stosunek ten nie zmienia się wraz z cyklem magnetycznym Słońca. Obecnie znajdujemy się w szczytowym momencie jego aktywności magnetycznej, która wzmaga się i słabnie w cyklu 11-letnim. Jednak ta potężna siła zdaje się w ogóle nie przeszkadzać nieznośnej krągłości Słońca.

Chciałbym zwrócić uwagę, że inne ciało Układu Słonecznego jest prawie równie okrągłe: to Wenus – i to z tego samego powodu. Wenus wiruje niezwykle wolno; jej jeden obrót trwa około 243 dni. Oznacza to, że siła odśrodkowa na jej równiku jest bardzo mała, a obserwacje wskazują, że promień biegunowy i promień równikowy planety są dokładnie takie same z dokładnością do błędu pomiarowego.

Z tego względu jest ona zasadniczo bardziej okrągła niż Słońce, choć w rzeczywistości różnice w elewacji jej powierzchni wynoszą kilka kilometrów, więc jeśli wziąć pod uwagę skalę, Wenus nie jest aż tak okrągła, jak nasza gwiazda. (Spłaszczenie Ziemi wynosi około 0,3%, ponieważ nasza planeta obraca się znacznie szybciej niż inne ciała). To dotyczy wszystkich planet, więc i Wenus nie jest idealną kulą.

Niektóre gwiazdy mogą być jednak szokująco asferyczne. Jednym z powodów jest niezwykle szybki ich obrót, przez co siła odśrodkowa na ich równiku jest ogromna; jasna gwiazda Altair obraca się tak prędko, że materia na jej równiku mknie z prędkością niemal miliona kilometrów na godzinę. W rezultacie średnica równikowa tej gwiazdy jest o 20% większa niż jej średnica biegunowa.

Mogą istnieć obiekty jeszcze bardziej okrągłe niż nasze Słońce, ale znajdują się tak daleko od naszej aparatury badawczej, że nie jesteśmy w stanie ich dokładnie zmierzyć. Niektóre z nich możemy jednak dość wiarygodnie opisać, wnioskując na podstawie ich natury – na przykład gwiazdy neutronowe, które jako klasa są prawdziwymi pretendentami do tytułu najbardziej kulistego obiektu. Każda z tych niezwykle gęstych kul jest pozostałością po gwieździe masywniejszej niż Słońce, która doświadczyła wybuchu supernowej; jądro gwiazdy zapadło się, stając się kulą z neutronów o średnicy zaledwie około 20 km. Gwiazdy neutronowe są tak gęste, że ich grawitacja na powierzchni może być miliardy razy większa od ziemskiej.

Różne siły mogą jednak spowodować, że niektóre gwiazdy neutronowe obracają się niezwykle szybko; przykładowo obiekt o nazwie PSR J1748–2446ad obraca się aż 716 razy na sekundę! To prędzej niż obracają się ostrza blendera kuchennego. Siła odśrodkowa na równiku gwiazdy, pomimo lilipuciego rozmiaru kuli i brobdingnańskiej grawitacji, prawie wystarcza, żeby ją rozerwać.

Jednakże w miarę upływu czasu rotacja gwiazdy neutronowej ulega spowolnieniu, a obiekt, który uformował się na wczesnym etapie istnienia Wszechświata, może być obecnie niemal statyczny. W takim przypadku intensywna grawitacja (gdybym stanął na jednej z nich, ważyłbym ponad miliard ton) wystarczyłaby do zmiażdżenia gwiazdy neutronowej do niemal idealnej kuli, być może o różnicy między jej promieniem równikowym a biegunowym mierzonej szerokością atomów. Czy astronomowie kiedykolwiek znajdą aż tak kulistą gwiazdę? Być może, gdy już się do tego zabiorą.

Badania takie mają głębszy sens. Trudno poznać wewnętrzne struktury wielu ciał niebieskich, ponieważ nie możemy do nich dotrzeć, a panujące w nich ciśnienie i temperatura są zbyt wysokie, aby można je było odtworzyć w laboratorium. Mierząc dokładne kształty obiektów takich, jak Słońce i planety, dowiadujemy się, co się dzieje pod ich powierzchniami i jak funkcjonują.

Astronomowie uwielbiają rozwiązywać takie zagadki, nawet jeśli oznacza to zadawanie głupich pytań. To naprawdę świetna zabawa, ale dopiero znalezienie odpowiedzi sprawia nam prawdziwą frajdę.