Mlhovina ve vašem pokoji

---

K úvodnímu experimentu budete potřebovat jenom několik málo běžně dostupných ingrediencí: asi decilitr kyseliny sírové do akumulátorů (H₂SO₄), několik polévkových lžic thiosíranu sodného (Na₂S₂O₃), který je součástí většiny fotografických ustalovačů pro černobílý materiál, tři litry vody, kádinku a dvě umělohmotné lahve. Pokud chcete dosáhnout maximálního efektu, pak si navíc vypůjčete zpětný projektor (klasický Meotar se spodním osvětlením). Na něj položte neprůhledný papír s vystřiženým kruhovým otvorem, jenž zajistí, že světlo projde pouze kádinkou.

A teď už k samotné alchymii. Obě lahve naplňte vodou, do jedné přidejte zhruba půl deci kyseliny a do druhé čtyři až pět lžic ustalovače, resp. té složky, která obsahuje thiosíran sodný. Nezapomeňte přitom, že i zředěná kyselina stále zůstává žíravinou. Takže zůstaňte při míchání náležitě ostražití.

V kádince poté smíchejte přibližně jeden díl zředěné kyseliny se stejným množstvím ustalovače a pozorujte chování vzniklé směsi. Zprvu se nic zvláštního nebude dít, po chvíli však čirý roztok získá modrý nádech, pak jasně modrou barvu, která pozvolna vybledne až dostane kalný, mléčný vzhled. Pokud si opatrně ke kapalině přičichnete, ucítíte charakteristický, štiplavý zápach oxidu siřičitého, jenž se během experimentu v mizivém množství uvolnil. A jestliže jste kádinku umístili na zpětný projektor, mohli jste navíc sledovat i obraz na plátně. I on byl na krátký okamžik modrý, brzo však zoranžověl, zčervenal a nakonec téměř zmizel.

Pokud nechcete čekat až otevřou v drogerii, můžete si nyní přehrát krátký záznam popsaného experimentu. V záběru uvidíte vlevo kádinku s kyselinou a thiosíranem, vpravo obraz světla procházejícího roztokem (nádoba stojí na zpětném projektoru). Celý záznam je v reálném čase, ve formátu mpeg a má buď 2,2 megabajtu, nebo ve dvojnásobném rozlišení 14 megabajtů.

Tím náš hokus pokus skončil. Pokud proběhl příliš rychle, pak musíte roztoky zředit, pokud neproběhl vůbec, zvyšte naopak koncentraci obou látek. A co se vlastně událo?

Odpověď na tuto otázku musíme hledat v mechanizmu rozptylu světla na drobných částicích. Schematicky řečeno: Z jednoho směru prochází oblakem jemného prachu proud fotonů viditelného záření. Některé z nich naráží do částic a jsou v zápětí vyzářeny. Tentokráte však do libovolného směru, tedy nejen původního, ale taktéž do boku či směru opačného, tedy proti původnímu toku. Experimenty i teorie přitom ukazují, že intenzita tohoto jevu závisí jak na vlnové délce viditelného záření tak na velikosti částic, které se mu postaví do cesty.

Hodně velké částice, výrazně větší než je vlnová délka světla, totiž působí na celé spektrum viditelného záření stejně účinně. Na okamžitých shlucích molekul a prachu o rozměru dosti menším než je vlnová délka procházejícího světla, je však rozptyl nepřímo úměrný čtvrté mocnině vlnové délky (tzv. Rayleighův rozptyl). V případě o trochu větších prachových částic je pak intenzita úměrná "pouze" převrácené hodnotě vlnové délky (tzv. Mieův rozptyl).

Každopádně se v obou posledních případech uplatňuje tzv. selektivní rozptyl, kdy se krátkovlnné modré světlo rozptyluje lépe než světlo delších vlnových délek, tedy červené. Proto je proud bílého světla procházejícího v jednom směru oblakem prachových částic ochuzen o modré fotony. Ty se však neztrácejí, jenom jsou z původního směru odchýleny.

Nyní už je alespoň trochu zřejmé, o co v našem experimentu šlo: po smíchání vhodně koncentrovaných roztoků kyseliny sírové a thiosíranu sodného došlo k vysrážení krystalků síry. Jakmile se jich objevilo dostatečné množství, začaly velmi účinně rozptylovat procházející bílé světlo vstupující dnem kádinky postavené na zpětném projektoru.

Na drobných částicích se samozřejmě rozptylovaly všechny fotony, ty krátkovlnné však výrazně účinněji než dlouhovlnné červené. Proto byl roztok z boku nápadně modrý a proto bylo prošlé světlo pozorované na plátně oranžové až červené -- proud světla přišel o víc modrých fotonů než červených, byl odmodrán.

Velikost zrníček síry se ovšem v roztoku i nadále zvětšovala, až časem přestaly světlo rozptylovat selektivně. V takovém okamžiku se začaly chovat stejně jako kapičky ve vodních mracích, kapalina v kádince dostala mléčně bílé zabarvení.

 

Proč je zapadající Slunce červené
a obloha modrá?

Důvod je prostý. V zemské atmosféře se bez ustání vytváří obrovské množství náhodných shluků molekul, které velmi účinně rozptylují sluneční světlo (Rayleighův rozptyl). I když tyto molekuly u sebe zůstanou jenom nepatrný zlomek sekundy, dokáží během tohoto krátkodobého shromáždění odchylovat paprsky okolo jdoucího záření. Při rozptylování jsou značně vybíravé -- nejraději mají paprsky modrého světla, které rozptylují asi sedmkrát silněji než paprsky červeného světla. Proto jsou v nebeském blankytu do převládající modré přimíchány i všechny ostatní barvy viditelného spektra.

Pokud se ale ve vzduch vznáší hodně rozměrného prachu, krystalků ledu nebo kapiček vody, pak se světlo všech vlnových délek rozptyluje stejně účinně a obloha nad námi získá spíše bílou barvu.

U zapadajícího Slunce je tomu obdobně. Když se pohybuje nízko nad obzorem, musí jeho záření projít relativně tlustou vrstvou vzduchu a fotony tak mají hodně příležitostí odchýlit se od původního směru. Nejvíc přitom ubývá modrých a fialových paprsků, zatímco červené procházejí více méně beze ztrát.

Stejně jako při našem experimentu s kádinkou u obrazu promítaného zpětným projektorem. Zčervenání Slunce nízko u obzoru tedy není výsledkem toho, že by zemská atmosféra přidávala červenou barvu, nýbrž toho, že ubírá modrou barvu. Jednoduše Slunce odmodrá. To však na kráse těchto úkazů samozřejmě vůbec nic neubere, že?

Rozptyl slunečního světla na náhodných shlucích molekul má na svědomí i "zmodrání" hodně vzdálených objektů na horizontu -- jev bývá obzvlášť patrný na fotografiích nejrůznějších pohoří. V tomto případě se však do sledovaného obrazu naopak modré fotony přidávají. Čím je objekt vzdálenější, tím ho sledujeme přes větší vrstvu vzduchu a tedy i molekul stavících se do cesty slunečnímu světlu a tím více modrých fotonů, kteří původně putovaly jiným směrem, bývá rozptýleno směrem k pozorovateli.

Docela názorně je to patrné na snímku vlevo. Zatímco objekty v popředí mají "normální" zabarvení, v dálce jsou čím dál tím modřejší.

 

Proč jsou prachové mlhoviny modré a některé hvězdy červené?

V odpovědi na tuto otázku vlastně zopakujeme fakta z předcházejících odstavců. Mezihvězdný prostor není prázdný, v mnoha místech ho vyplňují rozsáhlá oblaka mezihvězdné látky složená z plynu (především vodíku a hélia okořeněného dalšími prvky) a prachu o stejné velikosti jako mají částice v cigaretovém kouři. (Co do hustoty jde ovšem o neporovnatelná prostředí 1:10²⁴. I to nejhustší mezihvězdné mračno tak zůstává dokonalým vakuem.)

Podle astrofyziků jsou základem mezihvězdného prachu grafitová a silikátová zrníčka, která kondenzovala v chladných obálkách některých stálic a která se prostřednictvím hvězdnému větru dostala do vzdáleného prostoru. Tam se později obalila vodním ledem a jinými těkavými látkami.

Průměrná hustota prachových částic sice není nijak oslnivá: na jeden kilometr krychlový připadá i v těch nejmasivnějších oblacích jenom pár stovek částic, ale i když jsou jejich rozměry pranepatrné -- kolem miliontiny metru -- na vzhledu okolního vesmíru se podepisuje velmi účinně.

Pokud se za takovým, alespoň částečně průhledným oblakem nachází nějaká hvězda, část jejího světla mlhovinou projde bez jakékoli úhony. Část je však pohlcena a poté znovu vyzářena, dílem samozřejmě do jiného směru. Jelikož se nejhůře prodírají fotony modrého světla, je světlo vzdálených stálic všudypřítomným mezihvězdným prachem více či méně odmodráno. Stejně jako u zapadajícího Slunce.

Rozdíl je pouze v tom, že se zde uplatňuje méně účinný Mieův rozptyl, který závisí na převrácené hodnotě vlnové délky. (Bohužel i v odborné literatuře se mylně hovoří o tzv. "mezihvězdném zčervenání".).

A odkud se bere barevný odstín prachových mlhovin? Pokud se poblíž oblaku mezihvězdné látky nalézá hmotnější stálice, rozptyluje prach dostatečné množství modrých fotonů také směrem k nám. Podobně jako u pozemské oblohy, podobně jako u kádinky sledované z boku.

Ve vesmíru se ovšem setkáme i s principálně odlišným typem mlhovin -- plynnými. Rozdíl mezi oběma druhy názorně demonstruje mlhovina Trifid (M 20) ze souhvězdí Střelce. Mimochodem, takto zvláštně ji podle tří tmavých prachových pásů pojmenoval v polovině devatenáctého století John Herschel (trifid = trojlaločná).

U plynných mlhovin hraje hlavní roli mezihvězdný plyn, především vodík, který na teplotu několika tisíc stupňů ohřívají ultrafialové fotony blízké velmi hmotné stálice s povrchovou teplotou několika desítek tisíc stupňů. V takovém případě totiž začne vodík záření nejen pohlcovat, ale i sám zářit. Na rozdíl od prachových mlhovin však jenom na specifických vlnových délkách: ve viditelném oboru především v tzv. čáře Halfa na 656 nanometrech, tedy v červené oblasti viditelného spektra.

U Trifidu došlo k zajímavé kombinaci obou mechanismů. Zatímco v jižní části leží skupina hvězd, které ionizují okolní vodík, a dávají tak za vznik pohledné plynné mlhovině, v severní oblasti se nachází méně horké stálice, takže se zde uplatňuje především rozptyl světla na prachových částicích.

To, že mlhovinu na vlastní oči nevidíme barevně, způsobuje jen její malý jas. V triedru vypadá jako čtveřice hvězd páté až šesté velikosti, mezi kterými se rozlévá slabá, kruhová skvrna. V zorném poli většího přistroje se objeví nápadná mlhovina, z níž na sever vybíhá asi dvacet úhlových minut dlouhý, slabý pás. Tak se na ni taky někdy v létě podívejte.

 

Selektivní rozptyl viditelného světla na shlucích molekul a drobných prachových částicích skutečně stojí za celou řadou běžných jevů kolem nás. František Kundracik však ukazuje, že se s ním setkáte i na skutečně nečekaných místech: Odmodranie svetla nie je až takým zriedkavým javom. Okolo nás existuje veľa látok, ktoré by boli priehľadné, keby neobsahovali drobné častice rozptyľujúce svetlo. Sú to napríklad rôzne emulzie (zmes nemiešateľných kvapalín -- napr. olej vo vode), suspenzie (čiastočky pevnej látky v kvapaline -- ako v pokuse s tiosíranom sodným) alebo aj tuhé koloidné sústavy. Stačí sa okolo seba iba dobre pozerať a iste nájdete príklady, keď na takejto látke dôjde k odmodraniu bieleho svetla. Peknou ukážkou je tenký rez uvareného vaječného bielka, kde rozptyl svetla spôsobujú koagulované bielkoviny (preto je uvarené bielko biele). Ak je rez dosť tenký, prechádzajúce svetlo je výrazne načervenalé. Svetlo rozptýlené opačným smerom je samozrejme namodralé, ale to už nie je taký výrazný efekt. Ak teda nie ste vegetariáni, skúste si pri raňajkách nakŕmiť vajíčkom nielen svoje telo, ale aj astronomickú dušu. Pokiaľ ste astronómiou natoľko posadnutí, že to do raňajok nemôžte vydržať, skúste pri rannom holení nakvapkať pár kvapiek vody po holení do veľmi presolenej vody z vodovodu. Vody po holení totiž často obsahujú malé množstvo rozpusteného oleja, ktorý sa pri dotyku so slanou vodou vyzráža a vytvorí hmlovitý obláčik. Pri troche šťastia je svetlo na rozhraní obláčika a priezračnej vody výrazne načervenalé. Ženy-astronómky a astronómi samotári si môžu spestriť chvíle varenia. Pokiaľ do dobre uvareného (priezračného) slepačieho vývaru nasypete väčšie množstvo soli, tiež sa zakalí -- dôjde k vylúčeniu kvapôčiek oleja. Nie som si však istý, či nie je lepšie tú polievku radšej zjesť. Výsledok je totiž rovnako nepredvídateľný ako je nepredvítateľná aj chuť dobrej slepačej polievky (pokiaľ nie ste kuchár profesionál). Jakousi "soft" verzí výše popsaného experimentu, který však není tak dynamický a pohledný, je také voda s několika kapkami mléka. Rozptyl světla je pak zřetelný i v běžném nápoji Tonic, obzvlášť pak v kombinaci z ginem. Roztok pak získá zřetelné, světle modré zabarvení.