Ez volt a VCSE Magaslégköri Ballonkísérlete 2011-ben, és ahogy ma, 2017-ben látjuk:

VCSE - A ballon útjának első métereit teszi meg
VCSE – A ballon útjának első métereit teszi meg

 

VCSE - Vizuális nyomonkövetés (Hegedüs Tibor)
VCSE – Merre jár a ballon? Vizuális nyomon követés Hegedüs Tibor részéről.

 

VCSE - A ballon útvonala
VCSE – A ballon útvonala a rádiómérések alapján

 

VCSE - Az akkor még épülőben lévő hegyhátsáli csillagvizsgáló a ballonon elhelyezett kamera egyik első képén.
VCSE – Az akkor még épülőben lévő hegyhátsáli csillagvizsgáló a ballonon elhelyezett kamera egyik első képén.

 

VCSE - Vasi-zalai táj már magassabról
VCSE – Vasi-zalai táj már magasabbról

 

VCSE -
VCSE – Még magasabban – vasi-zalai táj.

 

VCSE -
VCSE – Még mindig alacsonyan sodródva, de szép lassan emelkedünk…

 

VCSE - Már a felhők felett jár a ballon...
VCSE – Már a felhők felett jár a ballon…

 

VCSE -
VCSE – Itt már nagyon ritka a légkör. Bár egy megfagyott páradarab kitakarja a látómező egy részét, de a kép bal oldalán jól látszik a világűr sötétje, a sűrűbb levegőrétegek kezdete, és a kék légkör. Noha arra számítottunk, hogy a pára kicsapódik, és meg is fagy a fentebb lévő hidegebb tartományokban, az első alkalommal nem sikerült tökéletesen felkészülnünk ellene. Ezt a következő alkalmakkor sikerült javítani.

 

VCSE - A maga nemében egyedülálló felvétel: a Hold 25 km magasról.
VCSE – A maga nemében egyedülálló felvétel: a Hold 25 km magasról. Később egy könyv számára elkérték ezt a felvételt.

 

VCSE - A Balaton nyugati vége, a Keszthelyi-öböl 27 km magasról. A felbocsátás párás, részben felhős időben történt. Ezért a képen kissé elmosódottak a színek. Képfeldolgozás sokat javítana a képen, de mi inkább az eredeti nyers képanyagot szeretnénk bemutatni.
VCSE – A Balaton nyugati vége, a Keszthelyi-öböl 27 km magasról. A felbocsátás párás, részben felhős időben történt. Ezért a képen kissé elmosódottak a színek. Képfeldolgozás sokat javítana a képen, de mi inkább az eredeti nyers képanyagot szeretnénk bemutatni.

 

VCSE - A leesés előtti pillanatok, a Balaton partja
VCSE – A leesés előtti pillanatok, a Balaton partja

 

VCSE - A nyíl a szonda helyzetét mutatja a Balatonban: oda esett az eszközünk.. (A csapattagok felvételei)
VCSE – A nyíl a szonda helyzetét mutatja a Balatonban: oda esett az eszközünk. (A csapattagok felvételei)

 

VCSE-
VCSE – A páracseppet nem számítva, a Föld görbülete mellett az is látszik, hogy a magaslégkör ritkasága miatt már fekete az ég, nem kék.

 

VCSE - A képen a Fertő-tó környéke látszik
VCSE – A képen a Fertő-tó környéke látszik

 

VCSE - Körmend környéke. Ez, és a többi ballonról készült kép is képkivágás eredménye.
VCSE – Körmend környéke. Ez és a többi ballonról készült kép is képkivágás eredménye.

További képek:

<a href="https://flic.kr/s/aHsksPLcTJ" target="_blank">Click to View</a>

A maga korában egyedülálló tudományos kísérletre került sor 2011. október 31-én a nyugati végeken: első ízben sikerült Magyarországról felbocsátott szondával elérni a világűr alsó határait jelentő magasságot.

A Zala megyei Vega Csillagászati Egyesület egy kutatóballont küldött a földi magaslégkörbe. Az Astrotech KKT támogatásával, 2011. október 31-én, 11 óra 58 perckor barátainktól, partnerszervezetünktől, a Hegyháti Csillagvizsgálóból (Hegyhátsál, Vas megye) felbocsátásra került a VCSE hidrogénnel töltött ballonja, amely bizonyíthatóan legalább 27 km-es magasságot ért el 13:20 tájban, és végül Balatonberénynél, kb. 150 méterre a parttól landolt a Balatonban 14:13-kor. (A GPS vevő hiányos adatai miatt elképzelhető, hogy nagyobb magasságokig is repült a szonda.) A keresőcsapat a szondát kalandos körülmények között találta meg, és a Horváth Tibor (nem a hegyhátsáli amatőrcsillagász) vezette keszthelyi vízimentő szolgálat segítségével gyűjtötte be este 8 óra körül. (Minden időpont téli időszámítás szerinti.)

Sodródás közben a műszeregység folyamatosan gyűjtötte a pozícióadatokat, és felvételeket készített a világűrről és a földfelszínről. Tudomásunk szerint ilyen ballonokkal Európából még nem értek el ekkora magasságot. Az ELF és VLF rádióhullámokat is vizsgáltuk. Ezek nagyrészt természetes eredetű jelek, melyeket ebből a magasságból ismereteink szerint még nem észleltek ballonokkal. Technikai és repülési szempontból ez a magasság már a közeli világűr határa, amelyet Magyarország területéről indított eszközzel először sikerült elérni. A ballon kb. 1,4 kg-nyi mérőműszert vitt magával. A szerkezet sodródásából a magaslégköri szelek sebességét és irányát mérhettük meg, amelyekről ebből a magasságból viszonylag kevés mérési eredmény áll rendelkezésre. Ezek a szelek befolyásolják például azt, hogy egy kisebb meteorit pontosan hol ér talajt: a meteoritok felkutatását tehát felgyorsíthatjuk a mérési eredmények ismeretében. Kb. 800 felvételt készítettünk repülés közben a Földről és a világűrről.

E felvételek érdekessége, hogy kb. 25 km magasságból a Holdat is sikerült lefényképezni. Ilyen magasságból, Európából még nem készítettek felvételt korábban égi kísérőnkről. A további felvételeken Vas és Zala megye települései, tájai látszanak, illetve a Keszthelyi-öböl, a Balaton és a Bakony, valamint Európa közeli hegyei is felismerhetők. A közeli világűr alsó határán végrehajtott kísérleteket tagtársaink, barátaink, a VCSE és az Astrotech KKT szponzorálta.

A kísérletet – mely céljait tekintve Európában is egyedülálló – a Vega Csillagászati Egyesület elnöksége az egyetemi hallgató tagjaiból álló munkacsoportjára bízta, amelyben Hegyi Norbert (projektvezető, VCSE tag, a Hegyháti Csillagvizsgáló Alapítvány tagja, akkor a győri SZE MTK hallgatója, ma tanársegédje), Komáromy Balázs Péter (az SZE MTK hallgatója), valamint az ELTE TTK hallgatói (Nehéz Dóra csillagász-meteorológus és Győrffy Ákos csillagász, VCSE elnökségi tag, egyben ötletgazda) vállaltak szerepet. A kutatócsapat munkáját Dr. Csizmadia Szilárd (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Berlin, valamint VCSE elnök) koordinálta. A rendkívüli fontosságú rádióamatőr munkákat Benkő Imre (VCSE tag) tagtársunk végezte. A felbocsátáskori teendőket és a visszaérkezett szonda felkutatását Dr. Hegedüs Tibor (Bajai Csillagvizsgáló, igazgató), Csák Balázs (ELTE Gothard Asztrofizikai Obszervatórium, Szombathely) és Hegyi Norbert (projektvezető) végezte. A ballon elkészítésében és felbocsátásában segítettek: Mucs Béla, Hosszú József, Ferenczi Róbert, Steinerné Lénárt Judit, Szabatin Zoltán, a Hegyháti Csillagvizsgáló Alapítvány (Horváth Tibor és Tuboly Vince), és még sokan mások Az elektronikai munkákban Székely Gábor villamosmérnök segített.

Köszönetet mondunk Hadnagy Andrásnak és Haholt Csabának is.

A projekt költségvetése kb. 200 000.- Ft volt, amit a VCSE és az Astrotech KKT közösen állt.

Külön megköszönjük a Keszthelyi Vízimentők Egyesület önzetlen segítségét, melyet a műszeregység felkutatásakor nyújtottak!

A ballonnal készített egyik képet a Magyar Csillagászati Egyesület “A hét csillagászati képé”-nek választotta.

Nagyon részletes, technikai adatokkal is ellátott információk és további cikkek találhatók a VEGA 91-ik számában, amely online, ingyenesen itt elérhető.

Ma, 2017-ben visszanézve ezt a hat évvel ezelőtti, 2011-es anyagi, szellemi és technikai befektetést, úgy gondolhatjuk, hogy igen jó és sikeres projekt volt, egyben megindította a hazai sztratoszférikus ballonkísérleteket. Velünk párhuzamosan mások is igyekeztek feljuttatni eszközt a közeli világűrbe (pl. Mucs Béla), volt, akinek utánunk nem sokkal sikerült is.

Még nagyobb eredmény, hogy ezzel a kísérlettel nemcsak egyszer sikerült végrehajtani a feladatot Magyarországról (külföldről, elsősorban az USA-ból korábban mások sokszor sikeresen megtették), hanem gyakorlatilag sikerült egy alapcsapatot építeni és az majdhogynem rendszeresen végez ilyen kísérleteket – még 2017-ben is. Mivel a befektetés összege vetekedett egy közepes méretű amatőrcsillagász távcső árával, célunk az volt, hogy meghonosítsuk ezeket a kísérleteket Magyarországon, nem pedig mindennapossá akartuk tenni szervezetünkben (elsősorban anyagi okokból…).

A fenti első, 2011-es repülésből sok alkatrész (az ernyő, kamera, rádió- és GPS-egységek stb.) a Balatonba-esés ellenére is teljesen épen, működőképes állapotban megmaradt. 2013. október 12-én ezeket felhasználva – a pótlásra szorultakat pótolva – Hegyi Norbert saját, Pannon Magaslégköri Ballonkísérletében már bizonyíthatóan 35 km-es magasságot ért el. (A magasság növekedése egyben azt is jelenti, hogy az első kísérlet tapasztalatai hasznosak és fontosak voltak!)

Ezután az eredeti, már két kísérletben szerepelt eszközök átkerültek a Bajai Csillagvizsgálóba, ahol Hegedüs Tibor igazgató vezetésével folytatódnak a magaslégköri ballonrepülések, évente 2-4 felbocsátással. Ezekről tőle lehet tájékozódni. Ilyen nagyszámú felbocsátás mellett nem csodálható, hogy csak a legelső alkalmakkor használták a történelmi, 2011-es repüléskor is szerepelt eszközöket, az évek folyamán ezek elhasználódtak és ki kellett cserélni őket. Többszörös újrafelhasználásukkal azonban így is sokat segítettek, és jó befektetésnek bizonyultak.

A hazai amatőrcsillagászati körökben a VCSE indította el a magaslégköri-sztratoszférikus ballonrepüléseket, de a stafétabotot már mások viszik tovább jónéhány éve. Munkájukat tisztelettel nézzük.

A ballonfelbocsátás nem lett olcsóbb, adminisztratíve pedig bonyolultabbá vált (ki tudja miért, már bejelentésköteles bizonyos súlyhatár felett). Viszont az első ritka fecske röpke hat év alatt teljesen közönségessé vált: már laikusok, celebvideósok stb. is sikerrel juttatnak fel 20 km fölé több-kevesebb felszereléssel sztratoszférikus ballonokat. Volt, aki legófigurát fotóztatott le a sötét égi háttér előtt, ezért is megérte neki egy ilyen ballon, csak hogy a híradóban szerepeljen… Ezek a léggömbök egyszerre tudományos  kutatóeszközök (pl. mikrometeoritokat akarnak vele vizsgálni, vagy fényszennyezés-változásokat mérni, meteorvideókat, geofizikai eredetű rádiójeleket akarnak felvenni) és szórakoztató, fejlesztő, hasznos játékok (mi is egyetemi hallgatók projektjeként kezeltük).

Minden jövőbeli sztratoszférikus ballonozónak sok sikert kívánunk!

 

Kapcsolatok: Dr. Csizmadia Szilárd egyesületi elnök (vcse@vcse.hu), illetve Hegyi Norbert projektvezető (30-4776763, hegyin@gmail.com).

A közeli világűr wikipédia definíciója: Near space is the region of Earth’s atmosphere that lies between 65,000 and 325,000–350,000 feet (20 to 100 km) above sea level, encompassing the stratosphere, mesosphere, and thermosphere. A more understandable definition would be above where a commercial airliner flies but below the realm of an orbiting satellite.

Egy hivatalos, szakmai definició a www.hobbyspace.com/NearSpace/index.html weblapról:

The realm of Near Space officially lies between 75,000 feet (~23km) and and 62.5 miles (100km) according to the International Aeronautical Federation (FAI).

További érdekes weblapok:

www.hobbyspace.com/NearSpace/index.html

www.gajitz.com/diy-student-project-weather-balloon-makes-it-to-space/

www.huliq.com/4299/78634/kids-capture-space-photos-homemade-weather-balloon

www.lprs.co.uk/lprs-antenna-used-for-receiving-signals-from-spacebits-near-space-balloon-flight.html

Fentiek alapján kísérleti eredményünket a közeli világűrben végrehajtott kísérletnek, és így hazai űrcsillagászati eredménynek tekintjük.

VCSE - A téridő-utazás furcsaságai - Gesztesi Albert
VCSE – A téridő-utazás furcsaságai – Gesztesi Albert

Az ember kíváncsi természetű. Ez így van jól, ez viszi előre a fejlődést, termékenyíti meg a tudományos kutatást. Ehhez kalandvágy is társul. Kíváncsi, hogy mi van folyó, vagy a hegy túlsó oldalán, ezért hát elmegy és megnézi. Kíváncsi volt, hogy mi van a Föld túlsó oldalán, hát hajóra szállt és felfedezte a távoli földrészeket. Kíváncsi volt, hogy mi van a Hold túlsó oldalán. Űreszközt szerkesztett és megnézte. Azóta már a saját szemével is láthatta, hiszen az Apollo űrrepülések alkalmával sokszor megkerülték kísérőnket.

Az ember arra is kíváncsi, hogy milyenek a távoli csillagok, vagy azok bolygói. Természetesen ma még elérhetetlen számunkra egy csillagközi űrutazás, de megtanultuk, hogy soha nem szabad azt mondani valamire, hogy soha. Talán, majd egyszer… Sok évszázad múlva? Talán.

VCSE - 1g, középponti irányú gyorsulás létrehozása egy forgó tóruszban - Gesztesi Albert
VCSE – 1g, középponti irányú gyorsulás létrehozása egy forgó tóruszban – Gesztesi Albert

Ebbéli vágyainkat a tudományos fantasztikus (sci-fi) irodalomban éljük ki. Számtalan jobbnál jobb könyv és novella, az utóbbi időben egyre több látványos, izgalmas film született e témában. Hogy csak a legismertebbeket említsem: ilyen a Star Trek, vagy a Star Wars (Csillagok háborúja) sorozat.

Nem tudom, mások hogy vannak ezzel, de én nézem, nézem és valamit nagyon nem értek. Több dolog is furcsa. Tudom, hogy ez egy „mese”, de mégis! Hatalmas robbanások tarkítják a látványt, és hallom is a robbanások dübörgését. Miért hallom? Az űrben (vákuumban) nem terjed a hang! Na, de ez a legkevesebb.

A fantasztikus filmekben fantasztikus sebességű űrhajókkal röpködnek egyik csillagtól a másikig, egyik bolygótól egy másikig, majd pedig vissza. És mi van ilyenkor az idődilatációval? Az „ikerparadoxonnal”? Persze én is élvezem a filmeket, csak kissé mosolygok a bajuszom alatt…

Látom, hogy ott áll Kirk kapitány a USS Enterprise fedélzetén, kezében egy pohár Romulan üdítővel, ami nem ömlik ki. Miért nem? Mert a fedélzeten 1 g gravitáció van, nem súlytalanság! (1 g a Föld felszínén érvényes gravitációs gyorsulás. Értéke 9,81 m/s×s. Hogy ellenállunk ennek a gyorsító erőnek, ez okozza a súlyunkat.) A világűrben viszont „súlytalanság” van, azaz vagy nincs gravitációs gyorsító erő, vagy nem áll vele szemben más erő. Ez a helyzet a Föld körül keringő űrállomáson is. Láthatjuk, hogy a Nemzetközi Űrállomás belsejében súlytalanul „lebegnek” a tárgyak és az űrhajósok. Nem azért, mert nem hat rá a Föld gravitációja – hiszen a nélkül elrepülnének a végtelenbe – hanem, mert folyamatosan és akadály nélkül zuhannak bolygónk középpontja felé. Rövid időn belül le is esnének, csakhogy van úgynevezett érintő irányú sebességük is, ami kör- vagy ellipszispályára kényszeríti őket.

Csubakka és Han Solo teljes természetességgel mozognak a Millenium Falcon fedélzetén, csakúgy, mint Darth Vader és a többi szereplő a Halálcsillagon. Miért van ezeken a helyeken a földihez hasonló gravitáció? Hogyan állítják elő? Ezek olyan megválaszolatlan kérdések, amelyek talán eszébe sem jutottak a rendezőknek, vagy ha igen, hát ügyesen elkerülték a választ, mert a sztori szempontjából nem tartották lényegesnek.

VCSE - Élet a tóruszban 1g imitált
VCSE – Élet a tóruszban 1g imitált “nehézségi erőnél”. – Gesztesi Albert

Pedig lényeges! Elő lehet állítani gravitációs hatást a világűrben, mégpedig gyorsítással. Ülök a számítógép előtt a székben, nem lebegek súlytalanul, mert a Föld tömege 9,81 gyorsító erőt gyakorol rám. Azt tanultuk fizikából, hogy ha egy testre erő hat, akkor az gyorsuló mozgást végez. Ha szoba padlója és székem nem állna ellent ennek az erőnek, akkor egyre nagyobb sebességgel belezuhannék a Föld középpontjába. De szerencsére ellenáll, így nyugalomban vagyok, de ami kevésbé szerencsés, hogy 80 kg-ot mutat a mérleg, amikor ráállok.

Szóval, itt a Földön, vagy a Holdon, esetleg bármilyen más bolygó felszínén éreznünk kell a súlyunkat, ha nem is mindenhol egyformát. De térjünk vissza a világűrbe, egy űrállomás fedélzetére! Miképpen lehetne ott tartósan „mesterséges” gravitációt kelteni?

Az egyik megoldást először 1955-ben Wernher von Braun az amerikai holdprogram megvalósítója, valamint Willy Ley csillagász javasolták. Elképzelésük szerint egy hatalmas tórusz (inkább nevezzük keréknek) alakú űrállomás belsejének külső falán létre lehetne hozni 1 g gyorsulást, ha megfelelő sebességgel forogna. Ehhez kb. 500 méter átmérőjű „kerék űrállomásra” lenne szükség, amely fél percenként tenne meg egy fordulatot. A forgó rendszerben fellépő centrifugális erő jelenti itt a „hamis” gravitáció képzetét. (2. ábra)

Az ötletet továbbfejlesztve fantasztikus tervek születtek óriási tórusz alakú űrállomásokra, amelynek belső felületén egész városok, parkok, folyók, mezőgazdasági területek vannak. (3. és 4. ábra)

VCSE - Élet a tóruszszerű űrállomásban - Gesztesi Albert
VCSE – Élet a tóruszszerű űrállomásban – Gesztesi Albert

Ami lényeges: ismerjük fel, hogy fizikailag ugyanarról van szó! A gyorsulásról. Egyik esetben egy égitest tömegvonzása, másik esetben pl. egy forgó rendszer centrifugális gyorsulása okozza a súlyerőt.

Nagyon hosszú távú űrutazásnál szervezetünk számára az az optimális állapot, ha állandóan a földi gravitációt érzékelhetjük. Ennek egyik megoldása az lehet, hogy űrhajónk állandóan 1g-vel, azaz 9,81  –tel gyorsul. Végezzünk egy gondolatkísérletet, hogy mi következne ebből! Azért „gondolat” kísérlet, mert ilyen állandó gyorsulást sohasem fogunk elérni (tudom, tudom, sohase mondjuk, hogy soha! Inkább azt, hogy ma még irreális.)

Szóval: a Földről induló űrhajónkkal ebben az esetben a Holdat másfél óra alatt érnénk el. 80 óra múlva elsuhannánk a Jupiter mellett, de akkor már 2800 km/s lenne a sebességünk, vagyis a fény sebességnek csaknem 1 %-a!

Vérszemet kaptunk! Tegyünk egy látogatást a Naphoz legközelebbi csillag, az  Centaurinál, ami 4,3 fényévre van tőlünk! Gyorsítsuk űrhajónkat mindvégig 1g-vel! Ha az űrhajó gyorsult fél útig, majd ugyancsak 9,91  „gyorsulással” fékezett, aztán megfordult és hasonló módon jutott vissza a Földre, akkor az utazás a földi megfigyelők számára 9 évig tart, az űrhajó idejében pedig mindössze 3 és fél év telt el. Közben az űrhajó maximális sebesség elérte a fénysebesség 95 %-át!

Menjünk még messzebbre! A Tejútrendszer középpontja kb. 28 ezer fényév távolságra van. „Fantasztikus” űrhajónkkal mindössze 20 évbe telik megtenni ezt a távolságot, miközben a Földön 28 000 év telik el! Menet közben űrhajónk a fénysebesség 99,9999998 %-ára gyorsult!

Az Androméda-galaxist (M31), melynek távolsága 2 537 000 fényév 28 és fél év alatt lehetne elérni, de ekkor már az űrhajó a fénysebesség 99,99999999997 százalékával haladna! Megvalósításához 100 milliárd × 120 milliárd megajoule energiát kellene felhasználni, kilogrammonként! Azt hiszem, most tényleg kimondhatom, hogy lehetetlen.

Akármennyi ideig gyorsítom az űrhajót, a fénysebességet soha nem érheti el. Ez a speciális relativitás elméletből következik. Egy nyugalmi tömeggel rendelkező űrhajó minél jobban megközelíti a fénysebességet, a tömege exponenciálisan növekedni kezd, így a gyorsításához is egyre több energiára van szükség. A fénysebességnél tömege végtelen naggyá válik, vagyis végtelen nagy energia tudná csak gyorsítani. Képletben:

Itt  a nyugalmi t0meg,  a relativisztikus tömeg, v az űrhajó sebessége és c a fénysebesség.

Még egy nagyon fontos dolog: a sebességeket másképpen kell összeadni, mint ahogy az iskolában tanultuk! Ha például a fénysebesség 70 %-ával haladó űrhajóból a menetirányban fénysugarat bocsátunk ki, akkor a két sebességet (az űrhajóét és a fénysugárét) nem adhatjuk egyszerűen össze:

E helyett a speciälis relativitás elmélet szerinti következő képletet kell alkalmazni: (5. ábra és 6. ábra):

Itt mindjárt hozzáteszem, hogy a   képlet kis (hétköznapi) sebességek esetében kiválóan használható, hiszen ilyenkor az 5-ik és 6-ik ábrán szereplő képletek nevezője gyakorlatilag 1 lesz (7. ábra).

VCSE - Sebességösszeadás a speciális relatiitáselméletben, ami a mérési eredmények szerint helyesen írja le a valóságot - Gesztesi Albert
VCSE – Sebességösszeadás a speciális relatiitáselméletben, ami a mérési eredmények szerint helyesen írja le a valóságot – Gesztesi Albert

 

Nézzünk egy másik példát (6. ábra)! Haladjon rakétánk 240 000 km/s sebességgel, ez a fénysebesség 80 százaléka = 0,8c. Ha e rakéta fedélzetéről menetirányban egy másik rakétát indítunk, mondjuk fél fénysebességgel (0,5c), akkor mi fog történni? Összeadva a két sebességet, túlléphetjük-e a fény sebességét? Ugye, nem! Egyszerűen csak a fenti, relativisztikus sebesésgösszeadási képletbe kell behelyettesíteni, és azt kapjuk, hogy az eredő sebesség mindössze a fénysebesség ~93%-a lesz.

VCSE - Speciális relativitáselméleti sebességösszeadási példa - Gesztesi Albert
VCSE – Speciális relativitáselméleti sebességösszeadási példa – Gesztesi Albert
VCSE - Kis sebességeknél alig van eltérés a klasszikus és a relativisztikus sebességösszeadási törvény között, hogy elegendő a köznapi életben a klasszikus formulát használni. - Gesztesi Albert
VCSE – Kis sebességeknél alig van eltérés a klasszikus és a relativisztikus sebességösszeadási törvény között, hogy elegendő a köznapi életben a klasszikus formulát használni. – Gesztesi Albert

És mi a helyzet az idővel? A földi megfigyelő és az űrhajó fedélzeti ideje más ütemben telik.

A szemléletesség kedvéért nézzük meg a 8. ábrát és tekintsük az A és B űrhajót. Mindkettő a Földön áll, nyugalomban. Mindegyiket felszerelték egy „fényórával”, azaz 300 000 km-es kar végén egy-egy tükröt helyeztek el. Az órák abszolút szinkronban járnak: az űrhajókból kibocsátanak egy fényvillanást (fényimpulzust). Ez a fény elmegy a tükörig, majd visszaverődve az űrhajók technikusai detektálják. Pontosan két másodperc telt el. A két óra szinkronban jár, 2 másodpercenként „ketyeg”. Most induljon el a B űrhajó és haladjon egyenletes v sebességgel! Az A űrhajóban ülők azt látják, hogy most a B űrhajó órájának lassabban kell járnia, hiszen az ő fénysugaruk nem 300 000 km, hanem annál többet, a háromszög átfogójának megfelelő (c×t) utat fut be! A B űrhajóban ülők persze erről tudomást sem vesznek, ők csak azt látják, hogy továbbra is az űrhajójukhoz rögzített, tőlük 300 000 km-re lévő tükörről kapják vissza a jeleket. Amennyiben a megfelelő adatokkal operálunk és felírjuk a pithagorasz egyenletet, majd rendezzük, akkor éppen ama bizonyos Lorentz összefüggéshez jutunk. Ez nem jelent mást, mint, hogy az egymáshoz viszonyítva mozgó rendszerekben az idő, különböző sebességgel telik. Igen ám, de minden relatív! A fenti példánál maradva; a B űrhajóban tartózkodók is megítélhetik úgy a helyzetet, hogy ők vannak nyugalomban, és az A űrhajó mozog hozzájuk képest v sebességgel. Kinek van itt igaza?

VCSE - Időmérés a relativitáslméletben. Ezt a newtoni mechanika nem elemezte ilyen kifinomultan. - Gesztesi Albert
VCSE – Időmérés a relativitáslméletben. Ezt a newtoni mechanika nem elemezte ilyen kifinomultan. – Gesztesi Albert

Addig nincs semmi probléma, amíg két olyan inerciarendszerről beszélünk, amelyek egymáshoz képest különböző sebességgel mozognak. Olyan vonatkoztatási rendszert nevezünk inerciarendszernek, amelyben Newton első axiómája érvényesül: a magára hagyott test egyenesvonalú, egyenletes mozgást végez. Ilyen lehet két űrhajó is. Akármelyikről figyelnénk meg a másikat, azt látnánk, hogy az órák eltérő ütemben járnak.

Ikerparadoxon

Ismert fizikai furcsaság a sokat emlegetett ikerparadoxon. Lényege, hogy ha egy ikerpár egyik tagja a Földön marad, a másik elutazik egy űrhajóval távoli csillagok felé, majd onnan visszatérve azt tapasztalja, hogy az itt maradt ikertestvére sokkal öregebb nála. Mintha az űrhajóban lassabban múlt volna az idő, mint itt a Földön. Hogyan lehetséges ez, hiszen éppen az előbb azt magyaráztam, hogy a mozgás relatív.

Jelen esetben azonban nem egyenértékű! Míg az egyik „nyugalomban” van, a másik gyorsul.

VCSE - Időmérés és az idő
VCSE – Időmérés és az idő “telése” a relativitáselméletben. – Gesztesi Albert

Nézzünk egy űrhajót O pontból B pontba szeretne repülni, de közben meglátogatja C csillagot! (9. ábra). Ha az euklidészi koordináta rendszerben gondolkozunk (bal oldali rajz), akkor az űrhajó szemlátomást hosszabb utat jár be, mintha egyenesen (az Y tengely mentén) jutna el a B pontba.

Egészen más a helyzet, ha nem az euklidészi térben, hanem Einstein téridejében gondolkozunk. Ebben az esetben a Lorentz-geometria az érvényes, amiben a rakétánknak nem egyszerűen útja, hanem „világvonala” van. (felhívom a figyelmet, hogy míg a bal oldali ábrán X,Y koordináta szerepel a jobb oldalin X,T). Persze itt is látható, hogy ha az űrhajó helyben marad, akkor egy idő után eljut a B helyre az IDŐtengelyen. Ez a helyben maradó űrhajós világvonala. Ugyanabba a B pontba (a jövőbe) az O-C-B görbe világvonal mentén jut el a másik űrhajóban utazó ikertestvér. Ezen a másik világvonalon eltelt idő különbözni fog a helyben maradó testvére sajátidejétől. A Lorentz-geometriában két adott esemény között egy görbe világvonal rövidebb mint az egyenes világvonal, mindegyik hosszúságát a szereplők sajátidejében mérve.

Az egyenes világvonalnál nincs probléma. A görbe világvonal esetében elveszítjük azt a lehetőséget, hogy egyetlen inerciarendszerrel számolhatunk az egész görbe mentén. A görbe világvonalhoz pontonként a lokális és momentán inerciarendszerek népes sokaságát kell egymás után hozzárendelni, hogy az elemi szakaszon alkalmazni lehessen a képletet (az ábrán feltüntetett dt-dx háromszög). A görbét osztópontokkal tetszőlegesen kis szakaszokra lehet felosztani, majd ezeket integrálni kell ahhoz, hogy az űrhajó sajátidejét megkapjuk.

Az ikerparadoxon feloldásánál tehát a gyorsulás a lényeg. Míg az egyik esetben, a helyben maradó testvér esetében valóban inerciarendszerről beszélhetünk, addig az űrhajózó testvére állandóan gyorsításokat végez: az induláskor, a visszaforduláskor és a megérkezéskor.

VCSE - A 67P/Csurjumov-Geraszimenko (IAU-nevén Churyumov-Gerasimenko) üstökös felszínén megfigyelt gejzír - ESA, Rosetta
VCSE – A 67P/Csurjumov-Geraszimenkó (IAU-nevén 67P/Churyumov-Gerasimenko) üstökös felszínén megfigyelt gejzír – ESA, Rosetta

A 2017. november 6-án a Nap Csillagászati Képének (APOD) választott felvételt az ESA (Európai Űrkutatási Ügynökség) Rosetta űrszondája készítette. A kép közepén egy kb. 10 méter magasságra lövellő gejzír látható.

Az üstökösök, ahogy pályájukon egyre közelebb jutnak a Naphoz, egyre több hőt kapnak tőle, ami felmelegíti őket. Az üstökös belsejében a jég elkezd szublimálni, gőzzé válik, és feszíti a környezetében lévő kőzetrétegeket. Ahol gyengébb, ott áttöri, és az anyag a földi gejzírekre hasonlító kilövellésben eltávozik. Eközben a megtört kőzetből és esetleg a belsőbb rétegekből kisebb-nagyobb kőzetdarabokat is magával visz. A gejzírek csak átmeneti ideig – órákig, napokig, hetekig – működnek. Időről időre újabb gejzírek nyílhatnak meg, miközben a régiek bezáródnak vagy kiürülnek.

Az eltávozó és lassan szétoszló gáz a Nap fényét visszaveri: ezt látjuk kómaként, illetve, ahogy a gáz a kezdősebessége függvényében eltávozik és lemarad a pálya mentén, üstököscsóvaként.

Az eltávozó kőzetanyag többnyire meteoritikus méretű, és táplálja az üstökös pályája mentén kialakuló meteorfelhőt. A leszakadt kőzetdarabokat meteoroidnak hívjuk. Ha a meteorfelhő találkozik a Földdel, szép meteorokat, netán tűzgömböket is megfigyelhetünk. A nagyobb tűzgömbökből akár a földfelszínre is hullhat anyag, ezeket meteoritnak nevezzük.

A fenti kép elemzése a Monthly Notices of the Royal Astronomical Society folyóiratban jelent meg, ennek közérthetőbb kivonata angolul itt található.

A Nap Csillagászati Képe (Astronomy Picture of the Day) című weboldal nemcsak zsánerképek bemutatásának helyszíne, hanem sokkal inkább a csillagászati ismeretterjesztésé. Az amatőr asztrofotósok egy-egy képén is el lehet magyarázni, be lehet mutatni egy-egy csillagászati jelenség okát, folyamatát, pillanatát, vagy az Univerzum működésének fizikáját el lehet magyarázni. (Sajna, sokan az APOD-ot összekeverik egy asztrofotós versennyel, amin az ízlés és a művészet versenyzik Univerzum-témában: nem erről van szó. Az APOD egyszerre csillagászati ismeretterjesztő és NASA PR-oldal, nem pedig valamiféle asztrofotós vetélkedő – bár kétségtelen, hogy a legtöbbet látogatott csillagászati oldal, tehát aki itt szerepel a képével, az azonnal hatalmas nemzetközi ismeretséget szerez.)
Ezért a szép asztrotájképek és asztrofotók mellé bekerülnek akár régi és új fekete-fehér fotók, amik történetileg vagy tudományosan értéket hordoznak, vagy (hamis)színes és kompozit felvételek, amelyeken az asztrofizikai jelenségeket és folyamatokat lehet elmagyarázni röviden, vagy éppen számítógépes szimulációk eredményei is, amiken a legújabb tudományos eredményeket igyekeznek vizualizálni.
VCSE - A sötét anyag eloszlásának várt szerkezete az Univerzumban - APOD
VCSE – A sötét anyag eloszlásának várt szerkezete az Univerzumban – APOD
A mai kép éppen egy ilyen számítógépes szimuláció eredménye. A sötét anyagot egyre jobban megismerjük, és bár szenzációs hírek arról szólnak, hogy a sötét anyag valóban létező fizikai anyag, amely túl halvány ahhoz, hogy az adott műszerrel és hullámhosszon megfigyelhessük, azért még elég homályos elképzeléseink vannak mibenlétével kapcsolatban. Tudjuk, hogy a korai Univerzumban kevesebb sötét anyag volt, mint manapság; de azt is tudjuk, hogy a galaxisokat kiterjedt sötét halo veszi körbe, ami hidrogénből áll, ami röntgenben jól látszik, látható fényben meg nem, és akár egy galaxis tömegének felét is kiteheti. A galaxisokban keringő fekete lyukakról is csak elvétve vannak még információink. Nem tudjuk, hogy egyes galaxisok miért gazdagok sötét anyagban, mások miért szegények – csak bizonyításra váró ötletek vannak. Mindenesetre egyre több és komoly eredmény van a területen.
Az EUCLID nevű tervezett ESA műhold egyik feladata majd éppen a sötét, tehát nem látható, de gravitációs kölcsönhatásban részt vevő anyag eloszlásának és mennyiségének kimutatása lesz. Noha ezt a fajta anyagot nem látjuk, és a látható anyag mennyiségének 5-10-szerese is lehet, azért gravitációs hatása van, és a körötte mozgó látható anyag (csillagok, galaxisok) mozgását befolyásolja. Ezt onnét látjuk, hogy csak a látható anyagot figyelembe véve pl. a galaxisok rotációs görbéit nem tudjuk értelmezni, ahhoz egy, a galaxist átható vagy akörüli sötét, de gravitáló anyagra is szükség van. Ugyanígy, egyes távoli galaxishalmazok, kvazárok és szupernóvák képe megtöbbszöröződhet gravitációs lencsehatás révén egy közelebbi galaxis vagy galaxishalmaz körül, és a pontos képalkotáshoz valamennyi, így vagy úgy eloszló sötét anyagot is figyelembe kell venni. Ha a távoli kvazár vagy galaxishalmaz fényességeloszlása ismert, a lencsehatás révén kialakult képpel összevetve a sötét anyag térbeli eloszlása feltérképezhető. Az előzetes eredmények alapján a sötét anyag eloszlása nem egyenletes, a galaxisok körül koncentrálódik.
A mellékelt képet a Hayden Planetáriumban (USA) készítették. A képen keresztben kb. 500 millió fényévnyi területet próbáltak meg ábrázolni – ez elég jelentős a belátható Univerzum kb. 13 milliárd fényévnyi sugarához képest. A sárga területek a galaxishalmazok, a sötét sávok a sötét anyag filamentumai.
Statisztikusan ez a kép egyezésben van a jelenleg rendelkezésünkre álló csillagászati adatokkal, de az EUCLID mérései után nyilván jelentősen finomodik, pontosodik majd, ezáltal módosulni fog.
Aki pedig idáig eljutott az olvasásban: ma van a Nemzetközi Sötét Anyag Nap – ez egy csillagászati berkeken belül megült pszeudoünnep. Célja, hogy a szakma képviselőinek és a szakmán kívülieknek a figyelmét felhívja erre a nagyon rejtélyes ügyre. Aki többet szeretne erről tudni, az itt olvashat róla: https://www.darkmatterday.com/about-dark-matter/#faq
Boldog Nemzetközi Sötét Anyag Napot!

Izgalmas kérdés, hogy a fizikai állandók mennyire állandók. (A Hubble-állandó csillagászati állandó, és tudjuk róla, hogy időben változik – de most a fizikai állandókról van szó.) A múlt században volt olyan kozmológiai elmélet, ami az Univerzum akkor ismert tulajdonságait azzal próbálkozott megmagyarázni, hogy a gravitációs állandó időben csökken. Noha ez az Univerzum tágulását okozhatná, de akkor a bolygópályák sem lennének stabilak, és a Naprendszerünk már rég összeomlott volna, pedig itt van még. A csillagokat is a gravitációjuk tartja egyben, a belsejükben felszabaduló magenergia (fúziós energia) tart egyensúlyt a gravitációval: ha a gravitációs állandó időben csökkenne, akkor a csillagokat a saját fúziós energiájukból származó fénynyomás repítené szét. Ez is ellentétben áll a megfigyelésekkel: a csillagokat ma is látjuk. A gravitációs állandó így időben nem változhat (vagy észrevehetetlenül kicsit, aminek nincsenek kozmológiai következményei) – de mi a helyzet a többi állandóval?

Az asztrofizikusok e kérdés megválaszolására az ún. finomszerkezeti állandót szeretik használni. A finomszerkezeti állandó cgs-egységrendszerben az elektron töltésének négyzete osztva a fénysebességgel és a Planck-állandó 2 pi-ed részével. SI-ben kifejezve még 4 pi-vel és a vákuum elektromos permittivitásával is el kell osztanunk. Vagyis SI-ben:

ahol alfával jelöltük a finomszerkezeti állandót, e az elektron töltése, h a Planck-állandó, c a fénysebesség négyzete és epszilon0 a vákuum dielektromos állandója (permittivitása).

Mindenesetre ezek mindegyike természeti állandó, és ha ezt a kombinációt megmérjük, akkor vagy egyik említett fizikai állandó sem változik az időben, vagy kettő vagy több szinkronban változik (pl. a Planck-állandó csökkenését a fénysebesség növekedése kompenzálná és további hasonló kombinációkat lehetne felírni). Mindenesetre elég valószínűtlen lenne ilyen szinkron változás.

A finomszerkezeti állandó azért jobb, mintha az egyes benne szereplő állandókat külön-külön mérnénk meg, mert ez a kombináció sok milliárd fényév tér-, és ennek megfelelő időtávolságból is mérhető, míg pl. a Planck-állandót nem tudjuk megmérni több milliárd évvel ezelőtt, csak most és a jövőben.

A finomszerkezeti állandót 1916-ban írta fel először A. Sommerfeld, amikor a hidrogén színképének finomszerkezetét tanulmányozta: a hidrogén főbb színképvonalai jobb felbontású színképelemző készülékben ugyanis több vékonyabb, egymáshoz közeli vonallá esnek szét. Sommerfeld ezeket azzal magyarázta – sikeresen -, hogy az elektron a proton körül a hidrogénben nemcsak körpályán, hanem ellipszispályán is keringhet, és a sok-sok hidrogénatomban különböző excentricitású ellipszispályák fordulnak elő, amelyek mindegyike csak egy vonalért felelős, együtt azonban kiadják a sok finom vonalat. A vonalak közötti hullámhossz-különbség éppen a finomszerkezeti állandóval arányos.

Érdekességképpen említjük, hogy igen sok helyen előfordul még: pl. Sommerfeld eredeti értelmezésében az elektronnak a hidrogénben a legkisebb sugarú körpályán meglévő sebessége szorozva a finomszerkezeti állandóval a fénysebességet adja. (A finomszerkezeti állandó dimenziótlan, és értéke 137,035999139(31), a zárójelben álló számok az utolsó két számjegy bizonytalanságát jelzik, a megelőző számjegyek biztosak.) A kvantumelektrodinamikában pedig az elektronok és a fotonok közötti erőhatásban fordul elő. A Bohr-sugár (a hidrogénbeli elektron legkisebb lehetséges pályasugara) szorozva a finomszerkezeti állandó két pi-szeresével megadja az elektron Compton-hullámhosszát. Az elektrogyenge elméletben is fontos tényezőként fordul elő az egyenletekben.

Éppen a színképvonalak előállásában játszott szerepe miatt távoli objektumok színképéből ki lehet számolni értékét.

Mivel az elektronok és a fotonok egymáson való ütközésében (pontosabban szóródásában) is szerepet kap, a Planck-műholddal megvizsgálták, hogy a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, z=1100-as vöröseltolódásnál mennyi volt az elektron tömege és a finomszerkezeti állandó értéke: akkor, amikor az Univerzum kora még csak kb. 379 ezer év volt (maga a kozmikus háttér kialakulása kb. 115 ezer évig tartott, ennek a háttérsugárzásnak az utolsó fotonjai 487 ezer éves korban keletkeztek; 379 ezer év körül e sugárzás keltésének a maximuma volt).

A kozmikus háttérsugárzásnak a Planck ESA-műhold által gyűjtött tulajdonságainak elemzésével azt találták angliai csillagászok, hogy a finomszerkezeti állandó és az elektron tömege az azóta eltelt kb. 13,7 milliárd évben nem változott, hibahatáron belül megegyezik a mai értékkel. Még pontosabban: a finomszerkezeti állandó legfeljebb 0,22%-kal (0,33%-os hibahatárral), az elektron tömege legfeljebb 0,26%-kal (0,94%-os hibahatárral) térhetett el a mai értéktől. Még szebb eredményük, hogy még azt is meg tudják mondani ezekből a mérésekből, hogy ha volt is változás, az legfeljebb minden egyes egységnyi z-változásra legfeljebb 0,05% lehetett egy hatványfüggvény szerint, de hibahatáron belül ez is nulla.

Végkövetkeztetés: a fizikai állandók igen erősen állandók voltak az utóbbi mintegy 13,7 milliárd évben, a kozmikus háttérsugárzás kialakulása óta. Ez mérési eredmény, ami sokkal szigorúbb, mint bármi elmélet. Korábbra időben nem tudunk visszatekinteni (csak gravitációs hullámokkal, de azok nem állnak kapcsolatban a finomszerkezeti állandóval, így annak mérésére sem használhatók fel).

Forrás: https://arxiv.org/abs/1705.03925