אחת המגבלות של האסטרונומיה היא שאנחנו כלואים על כדור הארץ. גם הגשושיות הטובות ביותר שלנו עברו רק חלק זעיר מהמרחק לכוכב הקרוב ביותר. חלק גדול מהאסטרונומיה עוסק בהתגברות על המגבלה הזאת – בחישה מרחוק ובהסקת מסקנות מתוחכמת ממידע מוגבל שמגיע ממקורות אור רחוקים. איננו יכולים לשוטט בחלל ולגלות ישירות את הגודל והצורה של גלקסיית שביל החלב. אבל אפשר להבין את הגודל והצורה של שביל החלב, ואת מקומנו בו, בספירת כוכבים.
איזוטרופי פירושו זהה בכל הכיוונים, ואנאיזוטרופי – שונה בכיוונים שונים. אפשר להיעזר באנאיזוטרופיה כדי ללמוד על הסביבה. אם אתם נמצאים איפשהו ביער, אולי תבחינו שבכיוון אחד יש פחות עצים (או שהעצים מתדלדלים). כנראה זה הכיוון הקצר ביותר לשולי היער. אם אתם רואים אותו מספר עצים בכל כיוון, אין לכם מושג היכן השוליים. או דמיינו שאיבדתם את דרככם בערפל כבד. תוך כדי שיטוט אולי תגיעו למקום שבו חודר אור שמש. האנאיזוטרופיה הזאת – העובדה שעוצמת האור אינה זהה בכל הכיוונים – היא הרמז שלכם לכיוון שבו נגמר הערפל.
אנחנו "אבודים" בגלקסיית שביל החלב. אילו היה מספר שווה של כוכבים בכל כיוון, לא היה לנו שום מושג היכן נגמר שביל החלב. היה גבול למספר הכוכבים שרואים בכל כיוון, אבל ייתכן שהוא היה נובע רק מכושר איסוף האור המוגבל של הטלסקופים שלנו, ומכך שהכוכבים הרחוקים חיוורים מכדי שנגלה אותם. אולי היינו מתפתים להאמין שאנחנו במרכז הגלקסיה. למעשה, פיזור הכוכבים בשמים אנאיזוטרופי, והאנאיזוטרופיה הזאת עוזרת לנו למדוד את הסביבה הגלקטית שלנו. לשם הפשטות, נתעלם בינתיים מההסתרה של האבק.
דמיינו איך היו נראים השמים אילו הכוכבים סביבנו היו מסודרים בדסקה. במרכז הדסקה היינו רואים מעט כוכבים כשמסתכלים ישר החוצה מהדסקה, לכל אחד מצדדיה, ומספרים גדולים ושווים של כוכבים בכל כיוון שבו מסתכלים לאורך הדסקה. במודל ה"צעצוע" הפשוט הזה, הפס של שביל החלב היה נראה זהה בכל הכיוונים. היינו יכולים לדעת שאנחנו חיים במערך שטוח של כוכבים, אבל לא אם הוא דסקה או משטח עצום, ולא היינו יכולים לאתר את השוליים. עכשיו דמיינו שאנחנו רחוקים ממרכז הדסקה: היינו רואים יותר כוכבים כשמסתכלים לאורך הדסקה לכיוון מרכזה, ופחות כשמסתכלים לכיוון שוליה.
נניח שהיינו חיים בפיזור כדורי של כוכבים. במרכז הפיזור היינו רואים בערך אותו מספר כוכבים בכל כיוון, ומסיקים שאנחנו חיים במרכז היקום, או שהיקום משתרע כל כך רחוק שאיננו רואים את קצהו. אבל אם אנחנו רחוקים ממרכז הכדור, היינו רואים יותר כוכבים בכל הכיוונים שפונים למרכז הכדור, ופחות כוכבים בכל הכיוונים שפונים ממנו. כל אחת מהדוגמאות האלה מראה איך אפשר להיעזר באנאיזוטרופיה בספירות הכוכבים כדי להסיק את הגודל והצורה של הסביבה הגלקטית שלנו. בשמים האמיתיים, כוכבים צעירים וחמים וצבירים פתוחים משרטטים את הצורה של דסקת הגלקסיה, והצבירים הכדוריים משרטטים את הצורה של ההילה הגלקטית הכדורית.
אפשר לכמת את השינוי במספר הכוכבים כשזווית המבט משתנה, כשמסתכלים דרך דסקה, לוח או משטח. נניח שאנחנו נמצאים במערך שטוח של כוכבים שמשתרע רחוק מאוד בכל הכיוונים, והמרחק הקצר ביותר לשפת הלוח הוא X. גאומטריה פשוטה מראה שהמרחק שעוברים בתוך הכוכבים בזווית θ מהאנך הוא:
Y = X / cos θ
היחס הזה קובע איך מספר הכוכבים גדל כשמסתכלים בכיוונים קרובים יותר ויותר למישור של שביל החלב. בקואורדינטות גלקטיות, b = 90° − θ. נניח ש-X הוא המספר המזערי של כוכבים שרואים בקוטב הגלקטי, שם θ = 0° ו-Y = X. ברוחב גלקטי b = 45° (כלומר θ = 45°), Y = X / cos 45° = 1.4X, כך שרואים בכיוון הזה 40% יותר כוכבים. ברוחב גלקטי b = 10° (כלומר θ = 80°), Y = X / cos 80° = 5.8X, כך שברוחב גלקטי נמוך כזה רואים פי 5.8 יותר כוכבים. מספר הכוכבים גדל בחדות ככל שמתקרבים למישור הגלקסיה.
לתאר את הגלקסיה שלנו כלוח אחיד של כוכבים זו הפשטה יתרה. ראשית, שביל החלב אינו דסקה אחידה לגמרי של כוכבים: הכוכבים מקובצים בקבוצות ובצבירים, וזה גורם להבדלים בספירות הכוכבים בכיוונים סמוכים. סיבוך חשוב יותר הוא ההשפעה של האבק. האבק נמצא באזורים שבין הכוכבים, ולכן כשמסתכלים דרך אזורים עם יותר כוכבים, מסתכלים גם דרך יותר אבק. מכיוון שאבק מעמעם את אור הכוכבים, הוא גורם להערכה בחסר של מספר הכוכבים ברוחב גלקטי נמוך. זה מסביר למה לקח זמן רב כל כך למפות נכון את שביל החלב.
באדיבות NASA
אותה גאומטריה שטוחה מסבירה למה כוכבים מתעמעמים כשהם שוקעים בשמי הלילה. נניח שהלוח הוא האטמוספירה של כדור הארץ, והנקודות הן חלקיקי אבק באטמוספירה (נתעלם מהעקמומיות של כדור הארץ ונתייחס לאטמוספירה כאל לוח שטוח). האבק מעמעם ומאדים את האור של כל הכוכבים; נזכור שהאטימות ומידת ההכחדה תלויות רק במספר החלקיקים שהאור פוגש, כלומר באורך המסלול שלו בין החלקיקים. ההכחדה הקטנה ביותר היא כשמסתכלים ישר למעלה – המרחק X, בזווית גובה של 90°. האור האדום של כוכבים שמעל ראשנו נחלש בדרך כלל ב-10%, והאור הכחול שלהם ב-30%; האובדן הגדול יותר של האור הכחול הוא ההאדמה. כוכב בזווית גובה של 45° נראה דרך כמות אוויר גדולה פי 1.4 (Y = X / cos 45° = 1.4X), והאור הכחול שלו נחלש כבר בכ-40%. כוכב בזווית גובה של 20° (רק 20° מעל האופק) נראה דרך כמות אוויר גדולה עוד יותר, Y = X / cos 70° = 2.9X, והאור הכחול שלו נחלש בכ-65%.
עכשיו אפשר להבין למה אסטרונומים מעדיפים לצפות בעצמים שנמצאים גבוה בשמים. כשכוכב שוקע לעבר האופק, האבק שבאטמוספירה של כדור הארץ מעמעם ומאדים את האור שלו במהירות. לרדוף אחרי כוכב ששוקע במערב משתלם פחות ופחות, כי האור שלו נכבה בהדרגה ככל שהמסלול שלו באטמוספירה מתארך. אסטרונומים משתדלים לתכנן את התצפיות כך שיתפסו את הכוכבים כשהם חוצים את קו המצהר (המרידיאן), הנקודה הגבוהה ביותר שלהם בשמים. בכוכב חוג-קוטבי, שאינו שוקע אף פעם, אפשר לצפות כל הלילה.
→ הסעיף הקודם: 14.22 ויליאם הרשל | הסעיף הבא: 14.24 מיפוי שביל החלב ←