Hubbleův vesmírný dalekohled je bezespotu historicky přelomovým zařízením v našem zkoumání vesmíru. První velký teleskop, který opustil područí pozemské atmosféry, jež nás sice po miliardy let chrání před smrtícím působením tvrdého kosmického záření, ale zároveň znemožňuje pozorovat vzdálené kosmické objekty ve většině důležitých oborů elektromagnetického záření. Dobrá – působivý začátek, ale není už HST jen zastaralou vlajkovou lodí kosmického výzkumu, který už řekl vše co mohl a veškeré další náklady na jeho údržbu jsou jen zbytečnou investicí?

Rozhodně ne. Ač už jsme si u něj za poslední léta často zvykli na pouhé sekundární potvrzování všemožných jevů či objektů snímaných novou generací kosmických observatoří (ale dnes už i těch pozemních – vybavených adaptivní optikou a tím poskytující mnohdy až desetkrát větší rozlišení, než senior Hubble), HST ještě neřekl své poslední slovo.

Tuto skutečnost si před takřka rokem a půl uvědomil ředitel Hubbleova teleskopu, stejně jako fakt že HST už nemá před sebou kdovíjak dlouhou budoucnost, a nebylo by špatné z něj dostat to nejlepší co je v rámci jeho konstrukce i letité historie možné, a pořádně sešlápnul plynový pedál – výsledky pozorování by rovněž měly tvořit odrazový můstek pro další program detektoru nové generace a dlouho očekávaného Hubbleova nástupce – teleskopu Jamese Webba (podrobněji níže).

Šlo o náročný úkol, a byli osloveni přední odborníci ve všech podstatných oblastech vesmírného výzkumu. Po měsících návrhů, debat, hádek a konzultací přišla jednoznačná odpověď: Historický Hubbleův úspěch, nejhlubší pohledy do hlubin archaického vesmíru, je nejen možné zopakovat, ale posunout ještě dál.

Jen už to není tak jednoduché. Už se nemůžeme spoléhat na palubní přístroje, ale je potřeba si vypůjčit fenomén Einsteinovy obecné teorie relativity – gravitačního čočkování. Největší hmotné struktury – galaktické kupy ohýbají svoji hmotností okolní časoprostor tak specifickým způsobem, že dochází ke zvětšení světelných světelných zdrojů, nacházejících se daleko za nimi ve společné optické ose. Fotony vzdáleného zdroje míjející velmi hmotný galaktický klastr jsou zesilovány podobně jako při průchodu optickou soustavou čoček v dalekohledu. A toto zesílení je achromatické – zesiluje stejně všechny vlnové délky (což nám poté velmi pomáhá při následné rekonstrukci vzdálených objektů, neboť jejich obraz vidíme zdeformovaně). Zjednodušeně řečeno, vesmír nám poskytuje ještě jeden obří dalekohled, který bude zpřažen s tím Hubbleovým. Výsledným efektem bude bonus (a to úplně zdarma) jako kdyby měl HST světlosběrnou plochu přibližně 50 – 100 krát větší. A nepůjde ani o krátkodobou záležitost – jde o program vskutku časosběrný, trvající tři roky.

Takto se pomalu rodil projekt „Hraniční pole“ – Frontier Fields, od počátku do konce podpořen sekundárním programem „Paralel Fields“, čili polem souběžným. (název „Hraniční“ byl zvolen jednak proto, že posouváme hranice dál a druhak to zní lépe, než třeba ultra ultra hluboké pole.) Ale to není vše. Jde o hluboké pole paralelní a šestinásobné. Těch termínů je víc, tak to vezměme postupně.

I když předpokládáme homogenitu a izotropii vesmíru na velkých škálách, přesto spousta odborníků namítala, že jak HDF tak HUDF nemusí představovat celistvý obrázek kosmického prostoru ve vícero směrech. Pokud byste pořídíli dva náhodné detailní záběry oblastí zeměkoule v úzkém zorném poli, pravděpodobně by se na obou snímcích vyskytovala vodní hladina, neboť vodní plochy tvoří až 75% povrchu. Další extrapolací můžete mylně prohlásit, že naše Země je vodní svět. Takže něco na názoru oponentů předchozích hlubokých polí je. Připomeňme si jen ve zkratce obě:

Hubble Deep Field
Deset dní trvající projekt čítající několik set hodin expoziční doby, probíhající od 18. do 28. prosince během 150 obletů Země se skládal ze 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. 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. 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 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.

Hubble Ultra Deep Field
Po výměně některých detektorů HST, jež zvýšily citlivost teleskopu takřka desetkrát, provedli astronomové ještě jedno snímkování – tentokrát nazvané HUDF – Hubble Ultra Deep Field. Šlo vlastně o snímky dvěma různými přístroji, které byly následně složeny. Nové hluboké pole ovšem mohlo nahlédnout ještě dál do historie vesmíru, neboť byla ve hře už i infračervená kamera, která umí zaznamenat vzdálenější objekty díky posunu jejich světla do infračervené oblasti (viz následující popis detektorů). 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.

Pro lepší pochopení celého projektu se ještě pokusíme v krátkosti shrnout dva zásadní Hubbleovy optické detektory ze šesti aktivních palubních přístrojů:

ACS (Advanced Camera for Surveys)

Byla navržena odborným týmem Univerzity Johnse Hopkinse, sestavena a testována v Ball Aerospace & Technologies Corp. v Goddardově vesmírném centru NASA. Finální testy a montáž do nákladového prostoru raketoplánu Columbia proběhly v Kennedyho kosmickém centru. Start proběhl 1.3. 2002 v rámci servisní mise 3B (STS-109). Montáž na HST proběhla 7.3. ACS je víceůčelový přístroj a brzy se z ní stala hlavní kamera HST. Snímá obraz pomocí třech nezávislých kanálů ve vysokém rozlišení od blízkých infračervených pásem, přes viditelné světlo až po ultrafialové frekvence a je doplněna řadou filtrů, koronografem, nebo polarimetrem. Pro svou flexibilitu je využívaná ke snímkování široké škály objektů a jevů od komet a planet až po vzdálené kvasary a galaktické kupy, a právě ona hrála hlavní úlohu při snímání pole HUDF.

WCF3 (Wide Field Camera 3)

Je technologicky nejpokročilejší zařízení HST navržené pro pozorování v oblastech viditelného světla. Jde již o třetí generaci tohoto detektoru. K jejímu usazení do přístrojové desky HST došlo 14.5.2009 v rámci mise STS-125. WCF3 je širokouhlé multispektrální detekční zařízení. Snímá ve dvojici nezávislých kanálů: optický kanál využívá dvojici CCD polovodičových čipů na vlnových délkách 200 – 1000 nm, infračervený kanál zaznamenává frekvenční rozsah 800 – 1700 nm. Oba kanály jsou rovněž vybaveny řadou širokých i úzkých frekvenčních filtrů. V nejvyšších frekvenčních pásmech je kamera schopna detekovat i blízké ultrafialové světlo. Optický kanál má rozsah zorného pole 164 x 164 úhlových sekund (2,7 x 2,7 uhlové minuty, necelých 10% plochy Měsíce za úplňku.

Koncept Frontier Fields

První věc která bezesporu zasluhuje uznání je celková „architektura“ programu. Kam se hrabou odvážné nápady odborníků satelitní špionáže v dobách studené války. Nejen že dochází k paralelnímu zapojení obou kamer na přilehlých částech oblohy. Odborníci využili i základní fyzikální vlastnost našeho slunečního systému – oběhu planet kolem Slunce.Jelikož solární panely HST musí být nasměrovány vždy směrem k mateřské hvězdě, dochází tedy vždy po šesti měsících k příčnému pootočení těla dalekohledu o 180°. Tím se zároveň o stejnou hodnotu přesunou polohy obou kamer uvnitř tubusu HST. Takže pole, které před půlrokem zabirala primárně kamera ACS teď zabírá detektor WCF a naopak. Sama koperníkovská mechanika pohybu planet a nutnost napájení teleskopu nám tedy hraje do karet. Takže ne dvě za cenu jedné, ale rovnou čtyři. Mechanismus pootočení obou zorných polí dobře ilustruje následující schéma:

Tím se dostávám k vysvětlení výše uvedeného názvu „šestinásobné paralelní“. V průběhu tříletého trvání programu si obě kamery šestkrát vymění zorná pole a budou sledovat rozdílné (ale souběžné) výseky oblohy vybraných galaktických kup a jejich okolí. Jak se lépe přesvědčit, že by vesmír měl být homogenní a izotropní. Ale kam vůbec HST zamířit? Stejně jako u předchozích dvou hlubokých polí se tato otázka stala předmětem náruživých diskuzí všech zúčastněných vědeckých týmů. Díky technickým limitacím byla možmost výběru omezená (viz předchozí odstavec o HDF). Jedno bylo díky nové metodě snímání jasné – musí jít o dostatečně hmotné galaktické kupy abychom mohli využít metodu gravitačních čoček.

Ale nešlo jen o to vybrat ty nejhmotnější klastry – bylo důležité přihlédnout k rozložení zorných polí obou kamer. Neméně důležitý byl i druhý požadavek – velká koncentrace temné hmoty – co by to byl za program, který by se nesnažil nalézt odpověď na jednu z nejpalčivějších otázek současnosti. A při tom všem to poslední co potřebujete mít v zorném poli jsou jak přesvětlené bližší objekty či prachoplynová oblaka v rovině Galaxie, nebo naopak spoustu temného a chladného materiálu v rovině ekliptiky naší sluneční soustavy. Nakonec se vědci shodli na šesti vzdálených klastrech zobrazených v následující tabulce. U každé kupy je uveden červený posuv (z) a rektascenze + deklinace jak primárního (Frontier) tak přilehlého (Paralel) pole:

V průběhu 36 měsíců HST absolvuje 840 oběhů aby zmapoval těchto dva krát šest polí. Časově vyjádřeno půjde o přibližně dva miliony sekund záznamu. Každá z expozic proběhne v délce 15 až 20 minut a všechna nasnímaná data se budou digitálně odesílat v datových paketech do sítě DSN. Z těchto digitálních balíčků se následně budou sestavovat kompozitní obrazové mozaiky, což obnáší další technickou výzvu – všechna zobrazení deformovaných dalekých zdrojů je potřeba digitálně upravit. Na každou galaktickou kupu tím připadne 6 x 140 oběhů HST (u HDF to bylo 140 oběhů), tempo snímání budou dvě přilehlé oblasti klastrů za jeden rok. Pozorování první oblasti galaktické kupy Abell 2744 je dokončeno, nařadu přichází další. A snímkování druhé kupy MACSJ0416.1–2403 už začalo. A jak tedy vypadá celý časový harmonogram cílových objektů?

První rok: Kupa Abell 2744 + MACSJ0416.1-2403
Druhý rok: MACSJ0717.5+3745 + MACSJ1149.5+2223
Třetí rok: Abell S1063 (RXCJ2248.7-4431) + Abell 370

A celý program má ještě dvě externí pozorovací podpory (fanoušci kosmických detektorů už zřejmě tuší). Jak se sluší a patří na moderní detailní vesmírný výzkum, i program Frontier/Paralel Fields je podpořen snímkováním dvou dalších kosmických detektorů. Infračervený Spitzer už v minulosti sledoval identická místa oblohy, a měl na to vyčleněno více jak 1000 hodin pozorování, neboť některé pozorované objekty se nachází tak daleko (mají výrazný posuv do infračervené oblasti), že i při využití IR filtrů nedosahují výsledky HST požadovaného rozlišení. Rentgenová Chandra rovněž kopíruje Hubbleovo hraniční pole a už zaznamenala oblasti extragalaktického horkého plynu a oblasti extrémně zahřátého vodíku kolem supermasivních černých děr v jádrech pozorovaných galaxií.

Na rozdíl od již ukončeného Spitzeru (po vyčerpání zásob tekutého helia pro chlazení detektoru) bude rentgenová Chandra pokračovat v monitorování oblastí FF/PF. Takže skládanka pozorování ve více vlnových pásmech se úspěšně rozrůstá. Podrobným studiem snímků raného vesmíru a jeho prvotních galaxií se můžeme dopracovat k daleko komlexnějšímu pochopení celkového náhledu na to proč dnešní vesmír vypadá tak jak jej pozorujeme. A k tomu připočtěme další „oběd zadarmo“ (slovy Allana Gutha) – gravitační čočkování nám zesiluje i reliktní mikrovlnné záření kosmického pozadí. Čili další lupa v rukou kosmologů bez vynaložení astronomických nákladů.

Ale hraniční pole není jen o minulosti. Ve hře je už zmíněný budoucí JWST teleskop. Výsledky Frontier/Parallel Fields poslouží nejen jako zdroje pozdějších přesnějších spektrometrických měření, ale budou sloužit jako spolehlivé zdroje při kalibraci infračervených detektorů nastupující vlajkové lodě kosmických teleskopů.

A vědci zatím netuší, jestli bude dlouhý výzkum korunován famózním úspěchem či ne. Situace trochu připomíná rybáře který sice stojí na břehu, ale povede se mu nahodit udici až kamsi za obzor. Budeme si muset ještě dobrých pár měsíců počkat – ale co je důležité – a to už jsme pro změnu v přítomnosti – všechna data a fotoarchivy programu FF/PF jsou volně přístupné na webu – ideální zdroj pro jakékoli výzkumy nejen zúčastněných týmů.

První důležitý benefit programu Frontier/Parallel Fields: objev nejvzdálenější galaxie

Určitě mnozí z vás zachytili tu zprávu počátkem letošního února. Právě díky pozorování galaktické kupy Abell 2744 v rámci programu Frontier Fields byla objevena zatím nejvzdálenější galaxie. O podrobnou analýzu se postaraly týmy astronomů z Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) a La Laguna University (ULL), ovšem primární data pochází z již zmíněného nového programu HST, jehož pozorování jsou ověřována kosmickou observatoří Spitzer, a v nejbližší době provede měření oblasti v rentgenovém oboru detektor Chandra. Na rozsáhlém projektu se rovněž podílejí odborníci z Francie (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de Toulouse and Centre de Recherche Astrophysique de Lyon), Švýcarska (Geneva University and Ecole Polytechnique Federal de Lausanne) a Univerzity v Arizoně.

Pozorování samotné probíhalo pomocí optických a infračervených senzorů HST, jež jsou stále ve výborné kondici, o potvrzení výsledků v infračervené oblasti se postarala analýza dat Spitzerova detektoru. Kvalita pozorovaných dat je tak vysoká, že vědecké týmy můžou zkoumat vzdálený objekt s dosud bezprecedentní přesností. Primární pozorování se týkala obří vzdálené galaktické kupy Abell 2744 (také známé pod názvem Pandořina kupa).

Ta působí jako gravitační čočka a díky ní mohli astronomové pozorovat nejvzdálenějšího rekordmana. Pradávná galaxie Abell 2744_Y1 je třicetkrát menší než Mléčná dráha, ale tvorba hvězd v ní je desetkrát intenzivnější. Z naší lokální části vesmíru ji pozorujeme v době pouhých 650 milionů let po velkém třesku a jejímu světlu trvalo více než třináct miliard let, než doputovalo na CCD čipy vesmírných fotodetektorů. Zatím se jeví jako jedna z nejjasnějších galaxií detekovaná v takto obrovských časoprostorových vzdálenostech.

Odborníci původně očekávali, že najdou tak vzdálený objekt poblíž středu galaktické kupy, kde je efekt gravitační čočky nejsilnější. Nicméně galaxie Abell 2744_Y1 se nachází na okraji Hubbleova snímku, kde je gravitační působení klastru na procházející fotony menší. Pozorování Spitzerova detektoru pomohla přesněji určit vzdálenost a potvrdila rovněž, že vzdálená galaxie je tvořena jak velkým počtem hvězd, tak i množstvím mezihvězdného plynu.

Zdroje informací:
http://www.stsci.edu/
http://hubblesite.org/
http://www.universetoday.com/
http://www.iac.es/

Zdroje obrázků:
http://frontierfields.org/2014/01/10/cluster-and-parallel-fields-two-for-the-price-of-one-2/
http://frontierfields.org/2014/01/17/cosmic-archeology-2/
http://www.nasa.gov/content/hubble-frontier-field-abell-2744/#.UyNO1D95N8F
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Advanced_Camera_for_Surveys_2.jpg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wide_Field_Camera_3.jpg
http://frontierfields.org/2014/01/10/cluster-and-parallel-fields-two-for-the-price-of-one-2/
http://www.universetoday.com/…distant-galaxy-spotted-just-650-million-years-after-big-bang/
http://frontierfields.org/2014/02/04/meet-the-frontier-fields-abell-2744/