Občasný seriál novinek z bouřlivého života (nejen) kosmických detektorů

Občasný seriál novinek z bouřlivého života (nejen) kosmických detektorů

6. ledna 2014

Pojďme se teď na chvilku přesunout do hlubšího vesmíru – na orbitální dráhy kosmických teleskopů, kterými mapujeme nejen současnost, ale především minulost našeho vesmíru. Nikdy v historii jsme se kvůli omezeným pozorovacím podmínkám z hloubi naší atmosféry nemohli podívat tak jasně a detailně na jevy, které se ve vesmíru odehrávají i nyní, ale ponejvíce se udály v dobách, kdy na Zemi ještě nebyl člověk. Nebo dokonce v těch časech, kdy jedinou živou formu na povrchu planety tvořil zapáchající buněčný povlak v místech, kde pradávná moře omývala první prakontinent, a který dnes nazýváme stromatolity. Nebo dokonce v době, kdy naše sluneční soustava neexistovala a místo ní se prostorem po orbitě uvnitř naší Galaxie řítil obrovský oblak prachu a plynu, který teprve za několik stovek milionů let dostal, zřejmě díky silné explozi supernovy někde v dočasném okolí, dostatečně silný impuls, aby se začal gravitačně smršťovat a položil tak základ našeho slunečního systému. Už vám to přijde moc?

Celá geneze jde ještě dál. Až do dob, kdy naše Galaxie, která se zformovala zhruba v jedné třetině trvání vesmíru, byla sama jen chaotickým shlukem prachu a plynu. Kde se v divokém reji potrhlého tanečního páru tlaku mezihvězdného plynu na jedné a gravitace na druhé straně bouřlivě rodily hvězdy starších generací. V dobách, které jsou od našeho „teď“ tak vzdálené, že nejsme ani pojmově vybaveni představit si vůbec tu časovou škálu, se už odehrávaly divoké kosmické exploze, které dnes zachycují citlivé detektory kosmických teleskopů. Byly tak jasné, že pořád září napříč celým pozorovatelným vesmírem a my už sbíráme jen fosilie pradávných dějů. Celá věc není nepodobná studentovi paleontologie, který pracně oprašuje zkamenělinu trilobita nalezenou v kamenném podloží na barrandovských kopcích. Ale jeden podstatný rozdíl tam je. My ty události zaznamenáváme teď a tady. A jsou pro nás stejně divoké a jasné, jako kdyby se odehrály před krátkým okamžikem.

Je to v jistém smyslu neuvěřitelná ironie. To, co nám mnohdy zahlcuje citlivé vesmírné detektory, už nejenže zřejmě neexistuje. V současnosti je to v předivu časoprostoru tak daleko od místa, kde se celá událost odehrála, že opět narážíme na problém „selského rozumu“, neboť vesmír se po celou dobu rozpíná a expanze se zhruba poslední třetinu jeho trvání exponenciálně zrychluje. Jestli jsem vás trochu vyděsil, přišlápnu brzdový pedál. Budeme sledovat i naše blízké okolí, podíváme se i na jevy odehrávající se v naší Galaxii a povětšinou to vezmeme zkrátka. Pro každého, kdo by se chtěl o těchto událostech dozvědět víc, budou v závěru přiloženy zdroje na původní zdroje informací. Začněme náš nepravidelný a krátký přehled novinek u detektoru, který měří to nejenergetičtější záření v našem vesmíru.

Tisíce supermasivních černých děr v pozorování RTG teleskopu Swift?
Supermasivní černé díry jsou potenciálními adepty takřka sta tisíců zdrojů rentgenového záření, které zatím detekovala vesmírná observatoř Swift, vybavená detektory pro snímání rentgenového záření a záblesků tvrdého gama záření, jak uvedla britská Univerzita v Leicesteru. Studie zpracovává výsledky měření za posledních osm let.

Hvězdy a galaxie emitují rentgenové záření, jelikož se jejich elektrony pohybují obrovskými rychlostmi a protože jsou buď velmi horké (více než milion stupňů Celsia), nebo je urychlují velmi silná magnetická pole. Základní příčinou je většinou gravitace – plyn je urychlován a extrémně zahříván při pádu do černých děr, na povrch neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, či je uvězněn v turbulentním magnetickém poli hvězdy, jakou je třeba naše Slunce.

Většina nově objevených zdrojů rentgenového záření zřejmě pochází od supermasivních černých děr v centrech velkých galaxií miliony světelných let od nás, ale v katalogu se objevují i krátkodobé (přechodné) zdroje RTG záření, které jsou zřejmě důsledkem gigantických explozí supernov. Výsledky byly publikovány v The Astrophysical Journal, najít je můžete rovněž na stránkách Arxiv.org.

Kosmický teleskop Swift byl vypuštěn 20. listopadu 2001 na nosné raketě Delta II 7320-10C. Byl navržen a vyvinut mezinárodním konsorciem USA, Velké Británie a Itálie v rámci sledovacího programu NASA s názvem Medium Explorer Program (MIDEX). Jeho letová kontrola sídlí v Goddardově vesmírném středisku. Primárně je Swift zaměřen na sledování záblesků tvrdého gama záření, jeho senzory však jsou vícepásmové: od gama oboru, přes rentgenové, ultrafialové záření až po viditelné světlo. Zemi oběhne po nízké orbitě 567 km × 585 km za přibližně 90 minut.

podrobná mapa zdrojů záblesků, jak ji zachytil detektor Swift, uprostřed mapy vodorovně je znázorněna rovina naší Galaxie
Zdroj: http://www.swift.ac.uk/

Studium masivních hvězd odhalilo počet spirálních ramen Galaxie
Plných dvanáct let trval výzkum, který měl za úkol určit skutečný počet spirálních ramen naší Galaxie. Původní odhad zněl čtyři, ale už po několik let se odborníci přeli, že jsou pouze dvě. Tak totiž vypadala pozorování Spitzerova kosmického teleskopu. Výsledky dlouhodobého výzkumu byly uveřejněny nedávno Britskou královskou astronomickou společností v Leedsu a znovu potvrdily předchozí odhad: Galaxie má čtyři spirální ramena. Nemáme žádnou možnost ramena Galaxie pozorovat. Naše sluneční soustava je zasazena do disku Mléčné dráhy a ve výhledu do stran nám brání množství prachu a plynu. Alternativou je pečlivé pozorování a měření výskytu masivních hvězd, které tvoří jakousi páteř spirálních ramen.

naše Galaxie v představách umělce. Červeně jsou označeny měřené obří hvězdy
Zdroj: http://www.ras.org.uk/

Od padesátých let minulého století začali astronomové prozkoumávat Galaxii pomocí radiových teleskopů. Zaměřili se především na husté oblasti prachu a plynu, kde dochází v rámci gravitační interakce a silných rázových vln ke zvýšené tvorbě hvězd. Z naměřených výsledků vědci usoudili, že ramena jsou čtyři. Spitzerův kosmický dalekohled se zaměřil na měření hvězd v infračervené oblasti. Před pěti lety členové jeho týmu oznámili, že teleskop detekoval na sto deset milionů hvězd, ale z výsledků jeho měření vyplýval pouze poloviční počet ramen.

Astronomové snažící se rozluštit tuto hádanku už po víc než dekádu sledovali zhuštěné oblasti spirálních ramen (i tyto oblasti ovšem představují z pozemského hlediska takřka dokonalé vakuum, jež nejsme v laboratořích schopni vyvinout) za pomoci radioteleskopů v Austrálii, USA a Číně a měřili polohy více než 1650 masivních hvězd. Na základě vzdálenosti a jasnosti těchto hvězdných obrů zaznamenávali jejich polohy a výsledky jim umožnily vrátit se ke starší domněnce, jež zvedla počet ramen na dvojnásobek.

Spitzer Space Telescope (SST) patřil mezi detektory pro infračervené pásmo a vznikl jako společný projekt NASA, JPL centra a Caltechu. Jeho mise začala 25. srpna 2003, kdy ho na oběžnou dráhu vynesla raketa Delta II 7920H z mysu Canaveral. Výrobou byla pověřena společnost Lockheed Martin Ball Aerospace. Původní doba mise byla odhadována na 2,5 – 5 let, nakonec byl teleskop ve vesmiru skoro deset a půl roku. Obíhal po heliocentrické dráze s dobou oběhu 1 rok. Jeho provoz byl ukončen 15. května 2009, kdy došlo k vyprázdnění palubních tanků s kapalným héliem, které se využívalo k chlazení jeho infračervených detektorů.

Odchylky dat v Planckově měření reliktního záření objasněny?
Velkou senzaci vyvolala v březnu loňského roku nová měření sondy Planck. Výsledkem byl zatím nejpřesnější záznam mikrovlnného záření kosmického pozadí (CMB) v historii. Od předchozích se lišil nejen kvalitativně, nýbrž i kvantitativně. Zjistil o něco větší hustotu hmoty, patrnější rozdíly v nehomogenitách různých částí oblohy a menší hodnotu Hubbleovy konstanty než všechna předchozí měření (jak balonová, tak především ta za pomocí sond sond COBE a WMAP). Nicméně konečné výsledky asi zdaleka nebudou tak jednoznačné. A aby ne, jsme na tenkém ledě výzkumu historie celého našeho vesmíru. Ačkoli rozdíly nebyly nikterak velké, byly pro vědeckou obec velkým překvapením. Mohly znamenat, že náš stávající standardní kosmologický model musí být pozměněn, nebo že předchozí měření byla nepřesná, nebo to, že vědci přehlédli nějakou systematickou chybu v datech naměřených Planckem.

Nová analýza Planckových dat, kterou provedli kosmologové David Spergel a Renée Hložek z Princetownu (velmi talentovaná mladá kosmoložka původem z Jihoafrické republiky s nápadně českým příjmením) a Raphael Flauger (Advanced Study in Princeton a New York University), naznačuje, že problém je v rozdílech dat z Planckova měření oblohy na radiové frekvenci 217 gigahertzů. Když se výsledky v této frekvenci vyjmou a použijí se nižší pásma 100 a 143 GHz, nové výsledky sedí s předchozím měřením. David Spergel prezentoval výsledky posledních testů na sympoziu relativistické astrofyziky, které se konalo 10. prosince v Dallasu ve státě Texas. Na konečné výsledky si ještě budeme muset počkat – zatím jsou k dispozici jen velmi strohé a kusé zprávy, což ale není vzhledem k tak důležitému komplexnímu kosmologickému výzkumu žádnou výjimkou.
Planckův teleskop patřil mezi jednu z vlajkových lodí Evropské kosmické agentury ESA a do vesmíru byl dopraven z kosmodromu ve Francouzské Guayaně 14. května 2009 pomocí nosné rakety Ariane 5 ECA. Na rozdíl od předchozích dvou teleskopů dosahoval takřka dvojnásobné hmotnosti (necelé dvě tuny). Primární mise trvala necelých čtyři a půl roku. Obíhal v Lagrangeově bodě L2, který leží přes 1,5 milionu kilometru od Země směrem od Slunce. Naše planeta mu tak vytvářela přirozené stínění od nabitých slunečních částic. Jeho hlavním cílem bylo měření drobných nehomogenit v mikrovlnném záření kosmického pozadí – pozůstatku z dob raného a horkého vesmíru. Jeho největší předností proti jeho předchůdcům byla jak vysoká citlivost teplotního čidla (lokální rozdíly v teplotě reliktního záření činí pouhé stotisíciny stupně), tak velká úhlová přesnost. Planck prováděl celooblohové měření kosmického pozadí od února 2010 do 21. března 2013. Po skončení mise byl jeho provoz ukončen v říjnu 2013, kdy byl odeslán na vzdálenější heliocentrickou dráhu, aby se zabránilo případným kolizím v daleké budoucnosti.

výsledky měření oblohy za prvních 15 měsíců mise. K měření použil Plank dva detektory: the Low Frequency Instrument (LFI) pracující na vlové délce 30 a 70 GHz a High Frequency Instrument (HFI) na frekvencích 100 a 857 GHz.
Zdroj: http://sci.esa.int/

Výročí: Hubbleovo hluboké pole
18. prosince 1995 započal Hubbleův kosmický teleskop sérii expozic jedné malé a tmavé oblasti směrem v souhvězdí Velké medvědice. Projekt trval plných deset dní (přitom běžný pozorovací čas přidělovaný na jednotlivé programy trvá maximálně několik desítek minut) a čítal několik set hodin expoziční doby. Od 18. do 28. prosince pořídil HST během 150 obletů Země 342 snímků s typickou expoziční dobou 15 – 40 minut. Místo, na které byl zaměřen, bylo velké jen 2,5 úhlové minuty a leží asi 6 stupňů od hvězdy Megrez směrem k Malé medvědici.

zjednodušený model evoluce našeho vesmíru s časoprostorovým vyznačením záběru obou polí
Zdroj: http://www.fromquarkstoquasars.com/

Místo bylo pečlivě vybráno, omezení byla jak technická (HST může bez přerušení sledovat jen malý pruh na obloze – na severní polokouli jsou to souhvězdí Kassiopeji a Velké medvědice), tak astronomická – bylo potřeba vybrat místo bez přítomnosti jasných hvězd, mlhovin či dalších silně zářících objektů. První z obou souhvězdí bylo ihned zamítnuto, neboť jím prochází spirální ramena naší Galaxie, ale i ve směru druhého bylo nutno vyhnout se velkým blízkým galaxiím i početným shlukům galaxií vzdálenějších.

Na snímku HDF je pouze 90 hvězd, které patří do naší Galaxie, vše ostatní jsou cizí a daleké galaxie. Celkem je na fotografii na 3 000 objektů a jde o ty nejvzdálenější, které jsme do té doby mohli pozorovat. Vznikly v prvních pár miliardách let po velkém třesku. Vědecké výsledky projektu předčily všechna očekávání. Nejhlubší pohled do rozlehlého vesmíru ukázal překvapivě obrovské bohatství tvarů rozličných galaxií. Záhy bylo rozhodnuto, že projekt bude doplněn obdobným snímkem na jižním hvězdném nebi. Volba padla na souhvězdí Tukana. Tentokrát byl do zorného pole zahrnut i jeden jasný kvasar. Snímkování proběhlo od 28. září do 10. října 1998 a záběry byly pořízeny v ultrafialovém, viditelném i infračerveném světle.

Tím ovšem monitoring vzdálených oblastí neskončil. Po výměně některých detektorů HST, jež zvýšily citlivost teleskopu takřka desetkrát, provedli astronomové ještě jedno snímkování – tentokrát nazvané HUDF – Hubble Ultra Deep Field, tedy Hubbleovo ultrahluboké pole. Šlo vlastně o snímky dvěma různými přístroji, které byly následně složeny. Teleskop mířil na plošku o velikosti 2,4 čtverečních minut směrem k souhvězdí Pece. Expozice začaly 3. září 2003 a skončily 16. ledna 2004. Celková expoziční doba obou přístrojů dosáhla 15,8 dne. Pole bylo vybráno tak, aby se v něm nenacházely blízké galaxie, jen ty vzdálené. Našlo se jich tam na 10 000 a zrodily se asi 400 až 800 milionů let po Velkém třesku.

Bylo by zbytečné představovat bezpochyby nejznámější kosmický teleskop ze všech. O HST jsme psali loni na jaře na stránkách kosmonautix zde. Připomeňme jen, že jeho mise trvá už neuvěřitelných 24 let (jeho cesta do vesmíru začala 24.dubna 1990 a na orbitu jej vynesl raketoplán Discovery (mise STS-31) z Kennedyho kosmického centra. Zemi oběhne každých 96 – 97 minut rychlostí 7,5 km/sec ve výšce 560 km. Mezi výše zmíněnými detektory patří mezi rekordmana i co se týče hmotnosti – váží přes 11 tun. Zatím není rozhodnuto o jeho ukončení, předpokládá se, že by mohlo přijít někde mezi lety 2015 – 2021.