Na oběžné dráze Země i v poněkud vzdálenějších částech Sluneční soustavy krouží velký počet vesmírných dalekohledů různých druhů, velikostí i určení. Veřejnost zná především legendární Hubbleův kosmický teleskop (HST – Hubble Space Telescope), který přinesl revoluci v oblasti astronomie a vesmírných teleskopů obecně. Hubble je proto také mnohdy mylně pokládán za největší dalekohled ve vesmíru. To je však omyl. Doposud největším dalekohledem, který se vydal za hranice zemské atmosféry je Herschelova vesmírná observatoř, za kterou stojí Evropská kosmická agentura.

Ohlédnutí do historie

Ačkoli Herschelův teleskop startoval v roce 2009, jeho kořeny sahají téměř 30 let před toto datum. V roce 1982 byl Evropské kosmické agentuře předložen projekt FIRST (Far Infrared and Sub-milimetre Telescope). Ten se měl stát světovým tahounem v oblasti pozorování infračerveného vesmíru. Na jeho ambiciózní uskutečnění však bylo ještě příliš brzy. Po zkušenostech s infračerveným teleskopem ISO (Infrared Space Observatory), na kterém se podílela ESA společně s USA a Japonskem a který startoval v roce 1995, musel být projekt FIRST přepracován. Největší změnou byla jeho cílová destinace. Namísto oběžné dráhy Země se měl vydat do Libračního bodu L2 soustavy Země – Slunce. Tato pozice je pro teleskop klíčová, jelikož je zde minimalizováno tepelné vyzařování Země, které výrazně ruší pozorování v infračerveném spektru.

Komise pro vědecký program ESA misi FIRST odsouhlasila teprve v roce 1993. V roce 1997 bylo vědeckým týmům z celé Evropy nabídnuto podat návrhy přístrojů, které se měly dostat na palubu. Jejich výběr se pak uskutečnil o rok později. Na vývoji tří hlavních instrumentů pro nový teleskop se podílelo 40 různých institutů.

V roce 2000 pak byla mise pojmenována po německém astronomovi Williamu Herschelovi, který se v roce 1800 zasloužil o objev infračerveného záření, jímž se měl teleskop zabývat. Výroba kosmického dalekohledu se rozběhla v roce 2001. Primárním kontraktorem pro jeho výrobu se stala firma Alcatel Space Industries (dnešní Thales Alenia Space). Tato italská firma obdržela doposud největší vědecký kontrakt v historii ESA, jehož souhrnná suma byla na počátku 369 milionů Euro.

Proč infračervený teleskop?

Velká část vesmíru je příliš chladná na to, aby vyzařovala vlastní viditelné světlo nebo ještě energetičtější formy záření jako je tomu u hvězd. Záření této části kosmu se omezuje na infračervené či ještě delší sub-milimetrové vlnové délky. Tuto část elektromagnetického spektra však ze Země není možné pozorovat. Záření je totiž absorbováno vodními parami zemské atmosféry a nikdy se tak nedostane na povrch k „očím“ našich observatoří. Chceme-li tedy vesmír v infračerveném spektru pozorovat, musíme náš teleskop vyslat do vesmíru.

Kromě toho, že velká část vesmíru je chladná a lze ji pozorovat jen na infračervených vlnách, ty nejzajímavější vesmírné objekty jsou našemu zraku skryty za vrstvami obřích oblaků prachu a plynu. To se týká zejména rodících se hvězd uvnitř mlhovin, galaktických jader nebo vzdálených míst svědčících o podmínkách, které ve vesmíru panovali na počátku.

Herschel pod drobnohledem

U každého teleskopu, ať už je to obří monstrum na chilských vrcholcích And nebo ten, který máme doma na balkóně, je jeho nejdůležitější součástí primární zrcadlo. Herschel Space Observatory (HSO) je díky svému hlavnímu zrcadlu o průměru 3,5 m největším infračerveným dalekohledem a zároveň největším dalekohledem umístěným ve vesmíru. Hubble má pro porovnání průměr 2,4 m, což znamená, že sběrná plocha HSO je dvakrát větší. Přitom je ale jeho hmotnost pouze třetinová! O dvacet let starší primární zrcadlo Hubbleova teleskopu je totiž vyrobeno ze skla, kdežto Herschell používá speciální formu karbidu křemíku, který byl původně vyvíjen jako syntetický diamant. Tento materiál tak zaručuje vysokou tuhost a je navíc imunní vůči deformacím vlivem změn teplot. To je velmi důležitá vlastnost. Jak už jsme si řekli, tento teleskop pozoruje chladné objekty vyzařující spíše teplo než světlo a tak jeho detektory pracují velmi blízko absolutní nuly. Kdyby byly jen o trochu teplejší, vyzařovali by vlastní infračervené záření a pozorování by bylo znehodnoceno. Zrcadlo bylo vyrobeno ve 12 segmentech, které poté byly k sobě spájeny. Hmotnost zrcadla činí pouhých 300 kg v porovnání s 828 kg u Hubbla. Sekundární zrcadlo má pak průměr 0,3 m.

Jelikož HSO pracuje s velmi nízkými teplotami, je jeho kritickou součástí chladicí systém. V první řadě byl teleskop chráněn před slunečním zářením tepelným štítem. Ten umožňoval udržovat stálou teplotu 80 K. Celá aparatura potom byla chlazena na teplotu 1,65 K. Navíc každý ze tří detektorů má své vlastní, přídavné chlazení, které dokázalo snížit teplotu na pouhé 0,3 K! Dosáhnout takto nízké teploty bylo možné díky zásobám tekutého hélia, které u teleskopu funguje jako pot v lidském těle. Díky tomu, že člověk kůží vylučuje pot, který se následně odpařuje, dochází k ochlazování. Stejně tak se postupně vypařovalo 2300 litrů hélia u Herschela. Tento fakt však limituje životnost teleskopu. Jakmile se zásoby chladícího média vyčerpají, není možné pokračovat v pozorování.

Po odrazu od primárního a sekundárního zrcadla směřovalo světlo do tří hlavních přístrojů nazvaných HIFI, PACS a SPIRE, které nám zprostředkovávali všechna pozorování. SPIRE a HIFI byly přitom vyrobeny v laboratoři tryskových pohonů JPL patřící pod NASA, která se na misi Herschel podílela.
HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared), spektrometr s vysokým rozlišením pracující ve dvou vlnových délkách 157-212 µm a 240-625 µm.
PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer), fotometrická kamera a spektrometr středního rozlišení pracující na vlnových délkách 55-210 µm.
SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver), fotometr a spektrometr. Pracující ve vlnových délkách 194-672 µm.

Nakonec si popíšeme všechny podpůrné systémy a součásti teleskopu nacházející se v servisním modulu, díky kterým dokázal fungovat v nehostinných podmínkách vesmírného vakua. Startovní hmotnost Herschela činila 3200 kg, z čehož 415 kg připadalo na vědecké přístroje. Délka teleskopu je 9 m a šířka 4,5 m. O pohon a korekce dráhy se staralo 6 hydrazinových trysek s tahem 10 N, které měli k dispozici 2 nádrže po 135 kg. K přesné orientaci jsou však takovéto trysky silné a proto využíval Herschel 4 gyroskopy orientující se pomocí dvojice hvězdných čidel. Napájení elektrickou energií měly na starosti solární články pevně přichycené na vnější části slunečního štítu. Ty dodávaly 1450 W a byly podpořeny dvěma lithium-iontovými bateriemi s kapacitou 36 Ah.

Velké cíle

Mezi hlavní úkoly patřilo studium tvorby a vývoje prvních galaxií v raném vesmíru, zkoumání složení blízkých chladných objektů, atmosfér vnějších planet a komet a také detailní studium složení a vlastností mezihvězdné hmoty a to jak v naší Galaxii, tak i v galaxiích vzdálených. Jedním z hlavních přínosů mělo být poskytnutí informací o hlavních fázích životního cyklu hvězd. Hlavním cílem bylo nahlédnout do původu tvorby hvězd a galaxií v době, kdy byl vesmír teprve ve třetině své dosavadní existence. Kdy a jak se vytvořily galaxie? Vznikly všechny ve stejnou dobu? Vytvořili se nejdříve samostatné hvězdy, které se teprve poté začaly formovat do galaktických ostrovů? To jsou jen některé z mnoha otázek, které před startem čekaly na odpověď. A abychom nezapomněli, kromě dávné minulosti se Herschel chystal studovat i současnost. Díky infračervenému „zraku“ se totiž dokázal podívat hluboko do hvězdných porodnic skrývajících se v oblacích plynu a prachu a také do galaktických jader ukrytých za neprostupnými vrstvami mezihvězdné hmoty.

Na svou cestu se Herschelův teleskop vydal 14. května 2009 z kosmodromu v Kourou. Prostor pod aerodynamickým krytem rakety Ariane 5 ECA sdílel mikrovlnným teleskopem Planck studujícím reliktní záření, o kterém pojednával minulý díl našeho seriálu. Celá sestava Herschel-Planck vážila necelých 6 tun a měřila přes 11 metrů. Celý tento kolos Ariane 5 úspěšně navedla do bodu L2. Krátce po startu se oba teleskopy oddělily a pokračovali ve svých samostatných misích.

Jako všechny evropské mise i tato byla řízena z operačního centra ESOC v německém Darmstadtu. Odtud se veškerá vědecká data odesílala do španělského města Villafranca, kde sídlí Herschel Science Centre. Díky nerušenému pozorování z libračního bodu nebyl Herschel ničím limitován. Pozorování byla přerušována pouze jednou denně kvůli pravidelné komunikaci s ESOCem. Stahování získaných dat rychlostí 1,5 Mbit/s trvalo celé tři hodiny.

Herschelovi trvalo dva měsíce, než se usadil na operační oběžné dráze s poloměrem 700 000 km okolo Lagrangeova bodu, která je od Země vzdálena jeden a půl milionu kilometrů. Oběžná doba této dráhy je 178 dní. Jelikož jsou tyto oběžné dráhy nestabilní, prováděl teleskop jednou měsíčně potřebné korekce. Herschelovu vesmírnou observatoř teď čekala tříletá mise plná objevů, díky kterým se zapsal do historie průzkumu vesmíru.

Zásluhy

Z mnoha objevů, které učinil, jmenujme alespoň některé. Tak například galaxie, označovaná jako HFLS3 je stará téměř 13 miliard let a už jen samotná její existence nutí vědce k zamyšlení nad současnými teoriemi o evoluci galaxií. I přes svůj mladý věk už totiž galaxie dosáhla velikosti srovnatelné s velikostí naší Galaxie a odhaduje se, že v dnešní době musí být jednou z největších galaxií známého vesmíru. Výpočty naznačují, že hvězdy se v ní musí rodit až 2000 krát častěji než v naší Galaxii.

V roce 2011 bylo publikováno, že Herschelova měření množství deuteria v kometě Hartley 2 naznačují, že většina pozemské vody se k nám dostala díky kometárním impaktům. Na tento objev po několika měsících navázal další. V akrečním disku mladé hvězdy byly objeveny studené vodní páry. Na rozdíl od teplých vodních par, které už byly u formujících se hvězd objeveny dříve, jsou studené vodní páry vhodné pro tvorbu komet, které později doručí drahocennou vodu k vnitřním planetám cizích slunečních soustav.

U dalšího objevu se namísto nekonečných dálav vydáme do našeho sousedství. Herschel totiž rozlousknul oříšek, nad kterým si vědci lámali hlavu více než 15 let. Už dříve byla ve stratosféře Jupitera objevena vodní pára. Vědci ale nemohli přijít na to, kde se tam vzala, protože z vnitřních vrstev planety zcela jistě nemohla prostoupit skrze „ledovou past“, která rozděluje stratosféru a troposféru pod ní (troposféra je povrch planety s mračny, který pozorujeme ve viditelném spektru). Voda se tedy musela do stratosféry dostat odněkud zvnějšku. Herschelovy citlivé tepelné senzory dokázaly zmapovat vertikální i horizontální rozložení chemických stop vody. Zjistilo se, že na jižní polokouli se nachází dvakrát až třikrát více vody než na polokouli severní. A i na jižní polokouli se voda soustředila převážně do oblasti, do které narazila v roce 1994 kometa Shoemaker-Levy 9. Ta tak byla označena jako hlavní příčina. Už dříve nad touto možností probíhaly spekulace, vždy však chyběl nějaký důkaz. A Herschelův dalekohled nám jej konečně poskytl.

Dalším místem, kde HSO detekoval vodu, pak dokonce byla i trpasličí pleta Ceres. Jednalo se tak o první nález vody přímo v hlavním pásu planetek. Odhady hovoří o produkci 6 kg vodních par za sekundu. Tvorba výparů byla zaznamenána převážně ve dvou oblastech, které jsou o 5% tmavší než zbytek povrchu, tudíž absorbují více slunečního záření a napomáhají tak sublimaci. Druhou možnou příčinou by pak mohl být kryovulkanismus.

Všechno jednou končí

I přes všechny úžasné výsledky a perfektní kondici všech přístrojů i celého teleskopu se však Herschelova kosmická observatoř musela v loňském roce odebrat do pomyslného důchodu. Důvod je prostý. Teleskopy pozorující vesmír v infračerveném spektru musejí být chlazeny na teplotu velmi blízkou absolutní nule, aby zaznamenaly i ty nejchladnější tepelné stopy. K chlazení třech detektorů na teplotu 0,3 Kelvinů Herschel využíval oněch zásob helia, o kterých jsme psali výše. Helium se však postupem času odpařovalo a 29. dubna loňského roku observatoř odeslala na Zemi zprávu, že zásoby helia byly do poslední kapky vyčerpány. Po více než 37 000 jednotlivých pozorování a souhrnnému pozorovacímu času přes 25 000 hodin byl 17. června 2013 z řídícího střediska vyslán příkaz, po kterém byl Herschel naveden z libračního centra L2 na pomalou heliocentrickou dráhu, aby tak uvolnil místo svým budoucím nástupcům a vydal se na zasloužený odpočinek.

Tímto však neskončila práce pro pozemní týmy, jejichž analýza a zpracování dat jsou plánovány až do roku 2017. Tou dobou už se navíc bude schylovat ke startu novodobého giganta infračervené astronomie – kosmického teleskopu Jamese Webba, na kterém ESA také nese svůj malý podíl.

Zdroje informací:
A. Wilson: ESA Achievments, ESA Publication Division, 2005.
S. Blair: The ESA Effect, An ESA Communication Production, 2014.
M. Talevi: Herschel – Unveiling hidden details of star and galaxy formation and evolution, ESA Communication Production Office, 2009.
http://www.herschel.caltech.edu/
http://www.esa.int/
http://sci.esa.int/
http://www.cosmos.esa.int/
http://www.space.com/

Zdroje obrázků:
http://herschel.cf.ac.uk/
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/
http://www.esa.int/