Minulý týden jsme v rámci našeho miniseriálu dopodrobna rozebrali některé z nejzajímavějších a vědecky nejpřínosnějších kosmických misí současnosti. Šlo tedy o již fungující sondy chrlící fyzikům obrovská kvanta dat. V dalším dílu TOP 5 se ovšem podrobněji zastavíme naopak u sond na jejich mise se mohou odborníci teprve těšit. Půjde tudíž o mise, jež jsou prozatím ještě ve fázi příprav a které by měly v příštích dvou dekádách výrazně obohatit naše fyzikální a astronomické znalosti.

5) PLATO

Hledání planet mimo Sluneční soustavu, tzv. extrasolárních planet (či exoplanet), pokročilo za posledních 30 let mílovými kroky kupředu. Dávno nejde o zábavu šílenců, nýbrž o velmi dynamicky se rozvíjející obor astrofyziky. Zatímco v 90. letech se objevy pohybovaly v řádu jednotek planet za rok, dnes běžně přibývají za stejné období i stovky nových potvrzených těles. Velkou zásluhu na tom mají i kosmické sondy, zejména družice Kepler o níž jsme se již zmínili v jednom z minulých dílů naší série.

Výzkum však běží stále dál, neustále přibývají nové zajímavé světy kolem cizích hvězd objevované pozemními i vesmírnými observatořemi. I v budoucnu bychom se měli dočkat několika důležitých kosmických misí. Velké množství práce v objevování nových planet patrně učiní sonda Evropské kosmické agentury nazvaná PLATO (akronym odkazuje na významného filosofa Platóna) s předpokládaným startem v roce 2026. Používat bude velmi úspěšnou tranzitní metodu, založenou na pozorování přechodů případných planet před kotoučem mateřské hvězdy.

PLATO umožní studovat snad až milion relativně jasných hvězd mezi 4 a 11 magnitudou. Hlavní úkol představuje pátrání po kamenných planetách u hvězd podobných Slunci a v ideálním případě rovněž charakterizace co nejvíce jejich vlastností a určení případné obyvatelnosti. Kromě hvězd slunečního typu cílí PLATO například také na nejběžnější typ hvězd ve vesmíru – červené trpaslíky, nebo naopak větší hvězdy tzv. poloobry.

Mise tedy doufejme výrazně rozšíří naši, již tak solidní, exoplanetární statistiku. To nám dovolí ještě lépe pochopit, jak vypadají typické planetární soustavy v naší Galaxii a nakolik je náš vlastní systém typický či naopak atypický. U blízkých planetárních soustav navíc PLATO změří vlastnosti mateřské hvězdy i jednotlivých planet, zejména pak jejich poloměr a hmotnost. V tom významně pomohou pozemská pozorování.

Observatoř by také měla najít a následně sledovat planety v obyvatelných zónách kolem mateřské hvězdy, tedy v pásmu umožňujícím existenci kapalné vody. Experty pochopitelně zajímají především kamenné planety s hmotností co nejvíce podobnou Zemi, případně i planety o něco menší či větší (tzv. superZemě). V neposlední řadě PLATO vytipuje vhodné cíle pro spektroskopická měření atmosfér exoplanet, která už by mohla naznačit případnou existenci života.

Sondu PLATO snad o 3 roky později doplní mise ARIEL, taktéž zaměřená na exoplanety. Na rozdíl od PLATO nicméně ARIEL prozkoumá již známá tělesa, u nichž určí přesnější parametry. Právě ARIEL bude moci provádět spektroskopická měření, což poskytne nástroj pro stanovení chemického složení atmosfér planet a posune tuto zajímavou část fyzikálního bádání opět na novou úroveň.

4) Vesmírný teleskop Nancy G. Romanové

Nedávno jsme se konečně po mnoha rocích čekání dočkali startu toužebně očekávaného Webbova dalekohledu. Již za několik let by však měl do kosmu zamířit další důležitý dalekohled. Ten NASA pojmenovala po významné astronomce Nancy Grace Roman, která zastávala klíčovou roli při vývoji Hubbleova kosmického dalekohledu.

Stejně jako Hubbleův teleskop, i dalekohled Nancy G. Romanové bude disponovat primárním zrcadlem o průměru 2,4 metru, které NASA darovala National Reconnaissance Office (NRO). Oproti Hubbleovu dalekohledu bude mít zrcadlo teleskopu Romanové kratší ohniskovou délku, a tím pádem také o něco větší zorné pole. Observatoř také nebude pozorovat primárně ve viditelné části elektromagnetického spektra, nýbrž v blízké infračervené oblasti. To má své nesporné výhody blíže popsané v článku o Webbově dalekohledu.

Dalekohled Nancy Romanové disponuje potenciálem učinit řadu objevů v kosmologii, astrofyzice i astronomii. Zejména vhodně doplní observatoř Euclid (viz níže) a probádá temnou energii. Mohli bychom se tak dozvědět více o původu a povaze temné energie. Jestli jde o neznámou formu energie, jak napovídá její název, mohli bychom se posunout blíže ke zjištění, zda byla hustota této dosud neobjasněné energetické složky vesmíru v čase konstantní, nebo zda se v průběhu času její hustota měnila. To by totiž dosti napovědělo pokud jde o různé scénáře vývoje vesmíru.

Společně s dalšími kosmickými teleskopy rozšíří vesmírný dalekohled Nancy Romanové taktéž naše znalosti o extrasolárních planetách. Prozradí nám kupříkladu četnost planetárních systémů podobných tomu našemu nebo jaké planety se obvykle vyskytují v blízkosti hvězdy, a naopak ve vnějších částech příslušných systémů. A snad se dočkáme i informací o případné obyvatelnosti části objevených planet.

Kromě vícepásmové kamery WFI ponese teleskop také speciální vysoce kontrastní koronograf CGI, který doufejme umožní dokonce i přímé zobrazení některých exoplanet. To je samo o sobě významný pokrok, neboť přímo jsme dosud viděli jen několik málo z potvrzených asi 5 100 planet. Koronograf také dovolí spektroskopicky prozkoumat složení některých nalezených těles. Odhaduje se, že by dalekohled Nancy Romanové mohl zaznamenat planety kolem mateřských hvězd až do hmotnosti srovnatelné s Merkurem. Očekáváme též nalezení toulavých planet vymrštěných z jejich původních soustav a putujících volně vesmírem. Zde představuje limit detekce zhruba těleso o hmotnosti Marsu.

V nedávných letech bohužel potkaly projekt poměrně závažné finanční obtíže, které dokonce ohrožovaly jeho realizaci. V současnosti jsou ale snad již definitivně zažehnány a nic tedy nebrání startu, jenž by měl proběhnout nejpozději v roce 2027. Kromě USA se na projektu podílejí i mezinárodní partneři, jak je u podobných misí obvyklé. Ve druhé polovině dekády se tedy můžeme těšit na další zajímavý vesmírný teleskop, který doplní nejen Webbův dalekohled, ale i další význačné fyzikální observatoře, jako jsou zde zmíněné Euclid či PLATO.

3) Euclid

V 90. letech minulého století zkoumaly dvě skupiny astrofyziků výbuchy supernov typu Ia, aby určili rychlost rozpínání našeho vesmíru a míru zpomalování této expanze. Jaké bylo jejich překvapení, když zjistili, že se tempo rozpínání vesmíru nesnižuje, ale právě naopak zvyšuje. Jejich objev později potvrdila nejen další data ohledně supernov typu Ia, ale i výsledky sond sledujících reliktní záření, stejně jako výzkum velkorozměrových struktur vesmíru.

V té době již fyzikové dobře znali temnou hmotu, nicméně toto pozorování, na němž se podílel i Hubbleův vesmírný dalekohled, všechny šokovalo. Ne nadarmo jde o jeden z nejzásadnějších výsledků celé kosmologie. Co však zrychlenou expanzi vesmíru způsobuje? Dosud přesně nevíme. Záhadná substance se nazývá temná (někdy též skrytá) energie, jde však spíše o označení toho, že její podstatě příliš nerozumíme.

Temná energie má některé zajímavé vlastnosti, zejména tu, že její hustota neklesá s tím, jak se vesmír zvětšuje. Rozpínáním vesmíru klesá hustota běžné i temné hmoty, avšak hustota temné energie zůstává konstantní. Odborníci navrhli několik možných vysvětlení podstaty temné energie, žádné bohužel není dostatečné a úplné. Navíc stále chybí dostatek experimentálních dat.

A právě to změní sonda Euclid (pojmenování nese po starořeckém matematiku Eukleidovi) vyvíjená Evropskou kosmickou agenturou. Podílejí se na ní specialisté ze třinácti evropských zemí a USA. K realizaci vybrala ESA sondu v roce 2011, v současné době se start předpokládá v průběhu roku 2023. Pro vzlet do kosmického prostoru použije ESA zřejmě svou novou raketu Ariane 6, přičemž i Euclid bude (podobně jako další družice zmíněné v našem miniseriálu) umístěn v libračním centru L2 soustavy Slunce-Země.

Mise Euclid se tedy zaměří především na kosmologii, nicméně na rozdíl například od nedávno vypuštěného Webbova teleskopu nebude Euclid hledět do tak vzdálené minulosti. Sledovat by měl především galaxie a kupy galaxií do hodnoty rudého posuvu z = 2, což odpovídá přibližně deseti miliardám světelných let vzdálenosti. To dovolí detailněji pochopit, jak přesně se vesmír rozpínal a porozumět vývoji velkorozměrových struktur. Znalost tvarů galaxií v závislosti na rudém posuvu pomůže objasnit vliv temné energie na zrychlování tempa rozpínání kosmu.

K důkladným měřením se použijí mimo jiné gravitační čočky, o nichž jsme hovořili v jednom z minulých článků nebo baryonové akustické oscilace neboli zjednodušeně řečeno hustotní fluktuace běžné baryonové hmoty. Nezanedbatelnou roli hraje také spektroskopie, která dovolí přesné určení rudých posuvů jednotlivých galaxií a tím i stanovení jejich vzdálenosti.

Zmíněný postup rovněž umožní prozkoumat rozložení temné hmoty v galaxiích a v mezigalaktickém prostoru i to, jak se rozložení temné hmoty mění v čase společně s vývojem vesmíru a jeho expanzí. Navíc Euclid napozoruje téměř třetinu celé oblohy a snad až 10 miliard astronomických objektů, čímž překoná hranice kosmologie a poskytne cenná data pro mnohé další observatoře, jakými jsou třeba Webbův dalekohled, Extrémně velký dalekohled (ELT) v Chile nebo největší přehlídkový dalekohled Simonyi Survey Telescope (dříve LSST) nacházející se rovněž v Chile.

Aby mohl Euclid přesně určit rudé posuvy každé galaxie s dostatečně vysokou přesností, musí disponovat precizními daty dodanými pozemními observatořemi. Na tomto příkladu krásně vidíme potřebnost spolupráce mezi pozemními observatořemi a vesmírnými teleskopy. Jedno bez druhého se (alespoň prozatím) neobejde. Zdůrazňuji to proto, že se lze často setkat s názory, že v dnešní době můžeme celou pozemní astronomii zrušit a přesunout do vesmíru. Jenže tak jednoduché to (Bohužel? Nebo snad naštěstí?) není.

2) LiteBIRD

Když v roce 2014 ohlásili vědci z experimentu BICEP2 objev polarizačního B módu u reliktního záření zavládlo ve fyzikální obci nadšení. Zdálo se totiž, že máme konečně definitivní důkaz inflačního kosmologického modelu postulovaného o 35 let dříve Alanem Guthem. Jeho hypotéza říkala, že se vesmír v počátku své existence prudce rozepnul všemi směry, což způsobilo některé změny, jež jsou v rozporu se standardní kosmologií, avšak inflační model je elegantně vysvětluje. Prudké inflační rozpínání kosmu by se promítlo do reliktního záření, zejména právě do jeho polarizace, proto byly výsledky z BICEP2 tak důležité.

Zatímco se již oslavovalo a spekulovalo, kdo získá nadcházející Nobelovu cenu, přišlo vzápětí velké zklamání. Ukázalo se, že výsledky BICEP2 ovlivnil mezihvězdný prach v naší Galaxii, pozorovaná data mají jiné vysvětlení a objev reliktních gravitačních vln museli vědci odvolat. Navíc data nepotvrdila ani sonda Planck, jež počátkem minulého desetiletí prováděla bádání v oblasti reliktního záření.

Nedávno se však objevila nová naděje. Japonská agentura JAXA schválila sondu LiteBIRD, pátou vesmírnou observatoř (po RELIKT-1, COBE, WMAP a Planck) určenou k výzkumu reliktního záření a první, která se zaměří primárně na polarizaci reliktního záření a zejména pátrání po již zmíněném polarizačním B módu. To by mohlo konečně pomoci dosáhnout snu mnoha fyziků, potvrdit reliktní gravitační vlny vzniklé na počátku vesmíru snad při inflačním rozepnutí nebo případně při jiném divokém ději.

Reliktní gravitační vlny nám dovolí nahlédnout do fyzikálních procesů ve vesmíru starém jen asi 10^-35 sekundy. Precizním prozkoumáním jejich vlastností bychom mohli rozhodnout mezi několika konkurenčními kosmologickými modely a říci tak mnohem více o vývoji a vzniku našeho vesmíru. Toto pozorování nám doufejme taktéž poskytne vodítka v dalších oblastech fyziky, jako je například otázka sjednocení základních interakcí, kvantování gravitace a teorií všeho.

LiteBIRD byla k realizaci vybrána v roce 2019, když porazila misi OKEANOS zaměřenou na průzkum trojánů Jupiteru. Do kosmického prostoru sondu vynese v roce 2028 nová japonská raketa H3 a po přeletu do bodu L2 soustavy Slunce–Země nastane nejméně tři roky dlouhá fáze pozorování.

Čestné zmínky

V první řadě musím zdůraznit, že jsem při výběru pěti bodů bral v úvahu pouze již připravované mise, popřípadě ty, které byly k realizaci alespoň schváleny. Dovolil jsem si proto zcela vynechat různé koncepty typu LUVOIR, New World Mission, Interstellar Probe, Uranus Orbiter a další.

Dále jsem nezařadil všechny plánované ruské mise, důvod je asi vcelku pochopitelný, jejich nejistý status vzhledem k současné situaci související s válkou na Ukrajině. Nedostalo se ani na čínské mise, zejména s ohledem na nedostatek informací v západních anglicky psaných zdrojích.

Z dalších zajímavých observatoří jsem opomenul zejména americkou misi NEO Surveyor, jež má pátrat po potenciálně nebezpečných blízkozemních planetkách, které by se mohly srazit se Zemí. Ačkoliv se jedná o projekt mimořádného významu pro lidstvo, podle mého názoru jsou vybrané sondy z fyzikálního pohledu zajímavější.

Nedostalo se ani na velkou misi Evropské kosmické agentury ATHENA cílící na rentgenovou astronomii. Příznivci tohoto oboru mi snad odpustí, ale ATHENA mi také nepřišla natolik zajímavá jako vybrané sondy, navíc jsme se rentgenové astronomii věnovali již v minulých dílech naší série, věřím tedy, že jste si jí užili dostatek.

1) LISA

Zatímco před chvíli zmíněná LiteBIRD prozkoumá reliktní gravitační vlny skrze polarizaci reliktního záření, dlouho očekávaná observatoř LISA je snad za ideálních podmínek uvidí i přímo. Aspoň v to doufají fyzikové celého světa, kteří tento projekt již desítky let připravují k realizaci.

První studie podobné mise pocházejí totiž již z 80. let minulého století. Od té doby však uplynulo spoustu času a došlo tudíž k velkému množství posunů a změn, které však nejsou u tak náročného projektu příliš šokující.

Původně se měla na misi podílet evropská ESA a americká NASA. V roce 2011 však Spojené státy kvůli finančním škrtům vycouvaly z celé řady projektů a nejinak tomu bohužel bylo i v tomto případě. ESA se nakonec rozhodla misi realizovat sama. To vedlo k některým úpravám projektu, který musel být o něco skromnější, ale podařilo se a eLISA (jak se tehdy mise jmenovala) napodruhé dostala zelenou. Když navíc testovací let družice LISA Pathfinder dopadl na výbornou, mohlo se začít s vážnými přípravami.

Mezitím Američané díky svým observatořím LIGO dokázali poprvé přímo detekovat gravitační vlny. Sice z poněkud jiného zdroje než měla pozorovat LISA, nicméně trend byl jasný. USA ve výzkumu jasně vedou a nejlepší odborníci na gravitační vlny jsou soustředěni právě tam. Bylo tedy v zájmu evropských vědců, aby se jejich kolegové do programu navrátili.

A stalo se. Projekt poté nabyl definitivní podobu. Observatoř vytvoří 3 družice ve formaci rovnostranného trojúhelníku vzdálené od sebe 2,5 milionu kilometrů. Mezi družicemi bude probíhat laserový paprsek s jehož pomocí se proměří změny vzdáleností mezi sondami. Použije se tedy známý princip laserové interferometrie, který se už úspěšně aplikuje právě na detektorech LIGO.

Start mise se aktuálně očekává v roce 2037. Ještě si počkáme, věříme však, že čekání bude stát za to. Kromě reliktních gravitačních vln dokáže LISA spatřit třeba srážky supermasivních černých děr nebo srážky objektů s velkým rozdílem v hmotnostech. Jedná se typicky o systémy v nichž je jedna složka středně hmotná černá díra a druhá hmotná hvězda. Velmi nás zajímají i samotné černé díry středních hmotností a jejich srážky, které rovněž LISA umožní sledovat. O tomto typu objektů totiž prozatím nevíme téměř nic.

Opomenout nelze ani srážky velmi kompaktních binárních systémů černých děr, neutronových hvězd a bílých trpaslíků, popřípadě jejich kombinací. Jde přesně o ten stejný druh systémů, které pozorují již nyní detektory LIGO a VIRGO. Observatoř LISA sice nebude primárně zaměřena na sledování těchto objektů, nicméně dosti pravděpodobně je uvidí ve formě jakéhosi šumu na pozadí. A nelze vyloučit ani objev zcela nových zdrojů gravitačních vln, popřípadě již teoreticky předpovězených exotických zdrojů jakými jsou například kosmické struny (topologické defekty – nesouvisejí s teorií strun).

Závěr

V příštím dílu našeho miniseriálu se podíváme na některé podivuhodné kosmické observatoře, které vědci navrhovali a dostaly se i do užších výběrů či alespoň vážné fáze zvažování. Všechny však potkal stejný osud. Sondy se do kosmického prostoru nikdy nevydaly, plánované mise totiž agentury zrušily.

Použité a doporučené zdroje

• PLATO – ESA: https://sci.esa.int/web/plato
• PLATO Mission: https://platomission.com/
• Nancy Grace Roman Space Telescope – NASA: https://roman.gsfc.nasa.gov/
• Nancy Grace Roman Space Telescope – Space Telescope Science Institute: https://www.stsci.edu/roman
• Euclid – ESA: https://sci.esa.int/web/euclid
• Euclid – NASA: https://www.nasa.gov/mission_pages/euclid/main/index.html
• Euclid Consortium: https://www.euclid-ec.org/
• LiteBIRD – ISAS: https://www.isas.jaxa.jp/en/missions/spacecraft/future/litebird.html
• LISA – ESA: https://sci.esa.int/web/lisa/
• LISA – NASA: https://lisa.nasa.gov/
• LISA Consortium: https://www.elisascience.org/

Zdroje obrázků

• https://physicsforme.files.wordpress.com/2012/05/lisa.jpg
• https://i.ytimg.com/vi/3yij1rJOefM/maxresdefault.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Andrew-Mao-2/publication/312524607/figure/fig1/AS:452176024739840@1484818573073/A-light-curve-showing-the-transit-method-of-detecting-exoplanets.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/d/d5/PLATO_spacecraft.jpg
• https://www.osel.cz/_clanky_popisky/plato2.jpeg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c5/Comparison_optical_telescope_primary_mirrors.svg/978px-Comparison_optical_telescope_primary_mirrors.svg.png
• https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/pm10.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Wfirst_beauty1_prores_1920x1080.mov_.00_00_17_16.still003_crop.jpg
• https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a013900/a013921/SUDF_Footprint_print.jpg
• https://cdn.geekwire.com/wp-content/uploads/2018/10/181008-hubble.jpg
• https://i.stack.imgur.com/KTiql.gif
• https://sci.esa.int/sci-images/a1/Euclid_spacecraft_20170329.jpg
• https://sci.esa.int/sci-images/09/ESA_Euclid_Primary_Mirror.jpg
• https://cdn.futura-sciences.com/buildsv6/images/largeoriginal/7/6/9/769c9788f8_57341_bicep2-spt-icecube-steffen-richter-harvard-university.jpg
• https://planck.ipac.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/31/jpg_original/Planck-CMBpolarization.jpg?1423272321
• https://www.isas.jaxa.jp/en/missions/files/litebird_main2.jpg
• https://www.spiedigitallibrary.org/ContentImages/Proceedings/10698/106981Y/FigureImages/00003_PSISDG10698_106981Y_page_4_1.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f5/Thousandau1_space_probe.jpg
• https://www.cosmos.esa.int/documents/400752/400860/cdf_front.png
• https://astronomy.com/~/media/C420732507374DA2BF07F6C5BFD46755.jpg
• https://sci.esa.int/sci-images/content/images/2016/LPF_LTP_ops_600.jpg
• https://www.aei.mpg.de/782254/original-1651572960.jpg?t=eyJ3aWR0aCI6MTIwMCwiaGVpZ2h0IjpudWxsLCJmaXQiOm51bGwsIm9ial9pZCI6NzgyMjU0fQ%3D%3D–478dd0caf20bbd0b382f8b1a8f9712e2315f3d03
• https://media.arxiv-vanity.com/render-output/5546032/AMIGO_cut.png