Hvězdná obloha nás fascinuje snad už od doby, kdy jsme se stali lidmi a možná i déle. Není tedy divu, že astronomie a fyzika patří k nejstarším vědám. Už ve starověku dokázali tehdejší učenci objevit některé velmi důležité skutečnosti a zákony, přesto přišel velký boom až v posledních 400 letech, zejména pak v posledním století s nástupem stále dokonalejší techniky. Přesto jsme byli se svými experimenty dlouho omezeni na povrch Země a jeho bezprostřední okolí. Teprve od 50. let jsme s rozvojem kosmonautiky začali vysílat první astronomické přístroje mimo zemskou atmosféru a začali objevovat dříve netušený svět. V následujících třech dílech našeho letního seriálu TOP 5 se proto zaměříme na nejdůležitější kosmické teleskopy a sondy z pohledu fyziky. V prvním příspěvku si představíme nejdůležitější observatoře a dalekohledy, které již ukončily svou činnost.

5) Compton

Elektromagnetické spektrum. Viditelné světlo uprostřed, zcela vlevo gama záření.
Zdroj: https://letstalkscience.ca/

Jestliže se vydáme ve spektru elektromagnetického záření od nám dobře známého viditelného světla směrem k vyšším energiím a vyšším frekvencím (a tedy nižším vlnovým délkám), dostaneme se nejprve k ultrafialovému záření. To je lidstvu známo již více než dvě století a většina z nás se s ním patrně setkala i v běžném životě, právě proti němu totiž chrání opalovací krémy. Ještě větší energii vykazuje záření rentgenové (někdy též záření x nebo paprsky x). I to většina z vás zřejmě důvěrně zná, především v lékařské diagnostice se s ním setkáváme velmi často. Nejvyšších energií potom dosahuje záření gama, podobně jako to rentgenové objevené až na přelomu 19. a 20. století.

Comptonova gama observatoř.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Zatímco ultrafialové záření aspoň v malé míře atmosférou proniká, rentgenové a gama paprsky jsou plynným obalem naší planety v podstatě dokonale blokovány. Chceme-li se tedy zabývat gama astronomii, musíme vyslat naše přístroje do kosmického prostoru. Proto již od 60. let minulého století vysílaly kosmické agentury na oběžnou dráhu družice, které měly kosmické zdroje gama záření studovat.

Nejvýznamnějším přístrojem této oblasti výzkumu ve 20. století byla bezesporu Comptonova gama observatoř. Práce na teleskopu, pojmenovaném po slavném americkém fyzikovi Arthuru Holly Comptonovi (Nobelova cena za fyziku pro rok 1927 za objev Comptonova jevu), začaly již v roce 1977 v rámci programu velkých observatoří NASA, kam patřily ještě Hubbleův dalekohled, Spitzerův teleskop (viz níže) a observatoř Chandra, která bude zmíněna v příštím článku.

Raketoplán Atlantis startuje na misi STS-37.
Zdroj: http://spacefacts.de/

Comptonův teleskop nakonec vynesl do kosmického prostoru raketoplán Atlantis při misi STS-37 v dubnu 1991. Umístěn byl na nízkou oběžnou dráhu ve výšce 450 km nad povrchem. Jednalo se o velmi drahý a těžký přístroj, jelikož stál celých 617 milionů dolarů (nutno samozřejmě zohlednit inflaci) a jeho hmotnost činila 17 tun. Šlo tak o do té doby nejtěžší astrofyzikální náklad dopravený do kosmického prostoru.

Přístroje observatoře mohly detekovat záření o energiích 20 keV až 30 GeV, měly tak do té doby nevídané pokrytí několika řádů elektromagnetického spektra. Compton disponoval čtyřmi vědeckými přístroji. První z nich BATSE hledal gama záblesky a prováděl přehlídky oblohy při snaze najít dlouho žijící zdroje záblesků. Po gama záblescích pátral také EGRET, jenž měl za cíl přesné určení jejich pozice. Detektor OSSE pozoroval gama fotony, zatímco COMPTEL měřil úhel jejich příchodu.

Jerome Jay Apt v nákladovém prostoru raketoplánu s teleskopem Compton.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Střed naší Galaxie prozkoumal Comptonův teleskop s nebývalou přesností. Observatoř dále objevila několik zdrojů měkkého gama záření, což jsou obvykle magnetary, neutronové hvězdy s extrémně silným magnetickým polem. Detekovala pochopitelně i množství gama záblesků, u nichž právě vlivem jejích pozorování nastala potřeba rozdělení na krátké a dlouhé záblesky. A poprvé zachytila rovněž pozemské gama záření přicházející z bouřkových oblaků.

Experiment EGRET nalezl 271 zdrojů gama záření, z toho 170 zcela nových. Detektor BATSE objevil 2 700 zdrojů, což připadá zhruba na jednu událost za den. Na základě těchto pozorování vědci definitivně potvrdili, že gama záblesky většinou mají svůj původ ve vzdálených galaxiích a jsou to tedy nesmírně energetické jevy. Zvláště silný gama záblesk GRB 990123 zaznamenala Comptonova observatoř 23. ledna 1999 ve vzdálenosti zhruba 9 miliard světelných let ve směru souhvězdí Pastýře. V té době se jednalo o jeden z nejenergetičtějších pozorovaných gama záblesků, viditelná složka dosáhla dokonce 9 magnitudy a událost tedy byla pozorovatelná i malými dalekohledy.

Všech 2704 gama záblesků nalezených detektorem BATSE.
Zdroj: https://asd.gsfc.nasa.gov/

To už se ale služba Comptonovy gama observatoře chýlila ke konci. V prosinci 1999 selhal jeden ze tří gyroskopů, což nebránilo dalšímu provozu zařízení, avšak případné selhání dalšího gyroskopu by velmi ztížilo řízenou deorbitaci. I přes protesty vědecké veřejnosti proto NASA v zájmu bezpečnosti rozhodla o zničení teleskopu navedením do zemské atmosféry tak, aby jeho trosky dopadly do Tichého oceánu. K tomu došlo v červnu 2000 po devíti letech provozu. Přání fyziků na prodloužení mise snad až do roku 2007 se nenaplnila. Lze však právem prohlásit, že z množství výsledků a pozorování Comptonova teleskopu můžeme těžit dodnes.

4) Hipparcos

Kosmický žebřík a rozličné metody používané k určování vzdáleností objektů ve vesmíru.
Zdroj: https://www.daviddarling.info/

Astrometrie, tedy přesné určování pohybu a polohy hvězd a jiných nebeských objektů, je obor starý téměř jako astronomie sama. V kosmickém výzkumu však bohužel dosti dlouhou dobu chyběli zástupci této vědy. A to je škoda, neboť je astrometrie velmi důležitá třeba kvůli kosmickému žebříku, systému určování vzdáleností ve vesmíru. To, jak daleko od nás se nachází nejbližší hvězdy lze určit poměrně přesně přímo. Ve větších vzdálenostech se ale již musíme spoléhat na jiné techniky. V závislosti na škále je možné použít kupříkladu proměnné hvězdy cefeidy nebo supernovy typu Ia.

Hipparcos během testů ve Velkém slunečním simulátoru v ESTECu v roce 1988.
Zdroj: https://www.cosmos.esa.int/

Avšak všechny tyto metody jsou závislé na důkladném určení vzdálenosti hvězd v našem okolí. Pokud by naše měření obsahovala chybu, promítla by se i na další stupně našeho kosmického žebříku. Stále lepší přesnost určování polohy, pohybu a vzdálenosti hvězd v naší Galaxii ovšem začalo být problematické. Proto se koncem 60. let začalo uvažovat o astrometrickém satelitu. Původní koncepci předložili vědci francouzské vesmírné agentuře CNES, později se program z ekonomických a technických důvodů přesunul pod Evropskou kosmickou agenturu (ESA).

Připravovaná sonda byla nazvána Hipparcos. Jde o zkratku ze slovního spojení HIgh Presision PARallax COllecting Satellite, která odkazuje na jednoho z nejvýznamnějších astronomů starověku Hipparcha z Níkaie, autora jednoho z prvních známých katalogů hvězd.

Start se uskutečnil v srpnu 1989, kdy Hipparcos vynesla na oběžnou dráhu evropská raketa Ariane 4 startující z kosmodromu Kourou. První fáze letu se ovšem neobešla bez problémů. Původně totiž měla být observatoř umístěna na geostacionární dráze (GEO). Vlivem selhání motoru však nebyla GEO nikdy dosažena a Hipparcos zůstal na dráze přechodové ke geostacionární. Přidání dalších sledovacích stanic naštěstí tuto potíž kompenzovalo a díky tomu se podařilo splnit všechny zamýšlené cíle mise.

Start rakety Ariane 4 s družicí Hipparcos ukrytou pod aerodynamickým krytem.
Zdroj: https://www.cosmos.esa.int/
Zdroj: http://www.rssd.esa.int/

Mezi ně patřilo zejména určení pozice, vlastního pohybu, paralaxy a dalších důležitých vlastností pro asi sto tisíc hvězd, což mělo umožnit vytvoření nebývale rozsáhlého a přesného hvězdného katalogu. Navíc u dalších hvězd měly být také změřeny jejich charakteristiky, jen s o něco menší přesností. Díky tomu by pak bylo možné vytvořit obsáhlejší katalog, v němž mělo být zahrnuto asi 400 000 hvězd.

Očekávání se nakonec podařilo ještě překonat. Vysoce přesný katalog Hipparcos obsahoval nakonec 118 218 hvězd. Méně přesný katalog Tycho zahrnoval 1 058 322 hvězd a rozšířený katalog Tycho-2 2 539 913 hvězd. Katalog Hipparcos obsahuje hvězdy s určením polohy na 0,001 úhlové vteřiny, vzdálenosti se u zhruba poloviny katalogu povedlo stanovit s vyšší než 20 % přesností. Všechny tři katalogy mají dodnes velký význam, používají se kupříkladu při zaměřování pozemních dalekohledů nebo vesmírné navigaci.

Hipparcos objevil například také množství dvojhvězdných a dokonce vícenásobných systémů. Dále nalezl 11 597 proměnných hvězd, u 8 237 z nich byla proměnnost klasifikována poprvé. Pokud jde o různé typy proměnnosti, pak observatoř pozorovala 273 cefeid, 186 hvězd typu RR Lyrae, 108 hvězd typu Delta Scuti, nebo 917 zákrytových dvojhvězd. Pro lidstvo jako biologický druh jsou potom důležité výsledky šetření o velmi blízkých průletech hvězd kolem našeho Slunce.

Rozložení hvězd z katalogu Hipparcos vzdálených 200 a 300 parseky na obloze.
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Všechny tyto údaje z katalogů Hipparcos a Tycho velmi pomohly rovněž v pochopení struktury a evoluce hvězd. Víme kupříkladu mnohem více o jejich rotaci nebo chemickém složení. Pozorování observatoře Hipparcos poskytla cenná data pro porozumění procesům odehrávajícím se v naší Galaxii, jako jsou pohyby spirálních ramen nebo kulových hvězdokup v galaktickém halu. A nezapomeňme ani na bádání nad dávnou galaktickou evolucí, když Hipparcos poskytl přesvědčivé důkazy o splynutí Mléčné dráhy s menšími galaxiemi v rané fázi jejího formování.

Historický vývoj přesnosti astrometrických měření.
Zdroj: https://wwwhip.obspm.fr/

Kromě toho observatoř studovala i některé známé objekty. Její zkoumání Polárky znovu rozproudilo debaty o tom, jak je tato významná hvězda vlastně vzdálena. Sledovány byly taktéž známé hvězdokupy Hyády a Plejády. U druhé jmenované vyvstal zajímavý problém, ke kterému se ještě někdy podrobněji vrátíme, nyní se spokojíme s konstatováním, že se nám poněkud výrazněji rozešlo určení vzdálenosti Plejád teleskopem Hipparcos a dalšími metodami.

Činnost družice byla ukončena v polovině srpna 1993 po téměř čtyřech letech provozu. I přes problémy na počátku letu zaznamenala mise velké úspěchy a položila základ dalším důležitým pozorováním. Později na ni navázala observatoř Gaia, o níž si více povíme v příštím článku.

3) Spitzer

Infračervené záření se používalo mimo jiné i k zjišťování teploty tepelného štítu raketoplánu v průběhu průletu atmosférou.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Výše jsme si povídali o sondě Compton zkoumající elektromagnetické záření o nejvyšších energiích. Viditelné záření, které je pro nás základní, neboť jej vnímáme vlastníma očima, má energie podstatně nižší. Podíváme-li se na elektromagnetické záření o ještě nižších energiích, nalezneme nejprve záření infračervené. Objevil jej v prvním roce 19. století jeden z nejvýznamnějších astronomů všech dob, britsko-německý vědec William Herschel. Infračervené záření vykazuje celou řadu užitečných vlastností, díky kterým jej lidstvo hojně využívá. Jedná se zejména o různé detektory tepla. Avšak své nezastupitelné místo si našlo rovněž v astronomii.

Také infračervenou oblast poměrně solidně blokuje atmosféra, která částečně propouští jen některé vlnové délky tohoto záření. Proto sice existují pozemní dalekohledy, schopné astronomických pozorování v této části spektra, jde ale spíše jen o výjimky. Podobně používají vědci jednotky atmosférických teleskopů umístěných obvykle ve velkých letadlech. Avšak rovněž u infračervené části spektra hrají nejdůležitější úlohu vesmírné observatoře.

Infračervená družice IRAS.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

První z nich, americká IRAS, odstartovala do vesmíru v roce 1983. Potom přišla dvanáctiletá pauza, nicméně od poloviny 90. let začaly infračervené dalekohledy ve vesmíru rychle přibývat. Ostatně nedávno vypuštěný Webbův teleskop také pozoruje v infračervené části spektra. My se dnes však zaměříme na jiný pozoruhodný americký přístroj – Spitzerův vesmírný dalekohled.

První zmínky o větší infračervené observatoři nalezneme již na konci 70. let. Tehdejší představa byla nicméně dosti odlišná od realizované verze. Počítalo se s umístěním teleskopu v nákladovém prostoru raketoplánu. Astronomické zařízení by tedy nebylo v kosmickém prostoru dlouhodobě, předpokládaly se „jen“ pravidelné krátkodobé lety na raketoplánech. V roce 1985 nicméně odborníci dospěli k závěru, že taková konfigurace není pro pozorování v této oblasti výhodná, došlo proto k přepracování projektu na přístroj umístěný na oběžné dráze dlouhodobě.

Start Spitzerova dalekohledu.
Zdroj: https://www.spitzer.caltech.edu/

Do vesmíru se teleskop, tehdy ještě známý jako Space Infrared Telescope Facility (SIRTF), vydal 25. srpna 2003. Vynesla jej raketa Delta II, jde proto o jedinou z velkých observatoří NASA, která nebyla vypuštěna při některé z misí raketoplánu. Původně to sice NASA plánovala, avšak po havárii Challengeru došlo z bezpečnostních důvodů ke zrušení projektu Shuttle-Centaur. Horní stupeň Centaur byl ovšem nutný pro umístění teleskopu na správnou oběžnou dráhu. Současně šlo o poslední start v rámci programu velkých observatoří, a to v době, kdy jedna z nich už ani nefungovala (Comptonův teleskop – viz výše). V prosinci 2003 pak došlo k přejmenování na definitivní označení Spitzerův vesmírný dalekohled.

Průřez Spitzerovým teleskopem – nádrž s heliem je dobře vidět.
Zdroj: http://irsa.ipac.caltech.edu/

NASA počítala se základní misí v délce dvou a půl let s možností prodloužení na pět let, případně o něco málo více, až dokud se nevyčerpají palubní zásoby kapalného helia určeného ke chlazení. To se stalo v polovině května 2009 po pěti letech a osmi měsících primární mise. Agentura se však rozhodla udržovat dalekohled nadále v provozu v tzv. teplém režimu, kdy se využíval pouze jeden ze tří vědeckých přístrojů. Tato prodloužená mise trvala až konce ledna 2020.

Při nemožnosti použití raketoplánu se muselo přikročit k přepracování a zmenšení observatoře. Odborníci nakonec zvolili heliocentrickou dráhu, Spitzer obíhal Slunce v prakticky stejné vzdálenosti jako Země. Změny cílily mimo jiné na redukci potřebné zásoby helia. Užití cirkumsolární orbity, kdy teleskop nebyl umístěn přímo u Země, dovolilo využití pasivního chlazení. Spitzer proto disponoval slunečním štítem, strana odvrácená od Slunce zase nesla černý nátěr, aby se zvýšil podíl vyzářeného tepla a servisní sekci technici tepelně odizolovali od zbytku dalekohledu. Množství kapalného helia se tudíž povedlo silně redukovat, což umožnilo významně ušetřit, a přitom vypustit teleskop se stejně velkým primárním zrcadlem, jako počítal dřívější návrh.

Temná mlhovina L1014 zachycená Spitzerovým dalekohledem.
Zdroj: https://www.spitzer.caltech.edu/

Mezi objekty o jejichž pozorování měli fyzikové největší zájem patřily velmi mladé hvězdy na počátku života, případně mezihvězdná mračna z nichž se hvězdy rodí a také hvězdy s protoplanetárními disky. V roce 2004 dalekohled pozoroval temnou mlhovinu L1014 v souhvězdí Labutě, v jejímž centru se nachází velmi slabě zářící těleso, patrně jedna z nejranějších zaznamenaných fází vývoje hvězd. Další rok byl pro Spitzer mimořádně úspěšným. Zjistil totiž, že Mléčná dráha není obyčejná spirální galaxie, nýbrž spirální galaxie s příčkou. Zakrátko také teleskop dokázal poprvé přímo zachytit světlo ze dvou exoplanet, horkých Jupiterů HD 209458 b a TrES-1 b. V témže období navíc pozoroval ještě hvězdu CoKu Tau/4 s protoplanetárním diskem, což umožnilo lépe pochopit vznik a vývoj planet.

První teplotní mapa exoplanety v historii. Vědci ji vytvořili pro planetu HD 189733 b na základě pozorování Spitzerova dalekohledu.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

A aby toho nebylo málo, vědci našli na snímcích Spitzerova dalekohledu světlo velmi vzdálených hvězd, vzniklých jen několik set milionů let po velkém třesku. To jsme stále v roce 2005. V následujícím roce observatoř objevila novou otevřenou hvězdokupu v souhvězdí Hada a též velmi rozsáhlou mlhovinu ve tvaru dvoušroubovice nacházející se jen asi 300 světelných let od centrální supermasivní černé díry Sagittarius A*. Roku 2007 došlo na pozorování další exoplanety HD 189733 b, u níž astronomové na základě dat teleskopu vytvořili vůbec první teplotní mapu pro jakoukoli planetu mimo Sluneční soustavu.

Observatoř zkoumala později i kosmický prach, u nějž zjistila, že jej nezanedbatelné množství vzniklo za teplot vyšších než 1 000 K nebo planetu Saturn, kde nalezla nový prstenec. Pozorovala rovněž srážku dvou právě vznikajících planet u mladé hvězdy. A v roce 2008 zveřejnil vědecký tým nejdetailnější infračervený snímek Mléčné dráhy složený z 800 000 jednotlivých fotografií.

Střed Mléčné dráhy zachycený Spitzerovým dalekohledem.
Zdroj: https://www.spitzer.caltech.edu/

Když v roce 2009 došlo kapalné helium, nastala prodloužená mise s velmi omezenými možnostmi pozorování. Přesto i dále zásoboval Spitzerův teleskop vědecký svět pozoruhodnými výsledky. Roku 2015 objevil jednu z nejvzdálenějších známých exoplanet, obří těleso u hvězdy vzdálené 13 000 světelných let a rovněž se podílel na detekci hnědého trpaslíka OGLE-2015-BLG-1319 metodou gravitačního mikročočkování. Jen o několik měsíců později dalekohled pomohl najít galaxii GN-z11, již od nás dělí 13,4 miliardy světelných let. Jde tedy o nejvzdálenější známý objekt našeho vesmíru. A na podzim 2016 pozoroval Spitzer známý systém TRAPPIST-1, kde nalezl pět ze sedmi známých planet.

Kandidátská galaxie HD1.
Zdroj: https://www.reuters.com/

Ve druhé polovině minulého desetiletí se však už i prodloužená mise chýlila ke svému závěru. Jeden z nejdůležitějších přístrojů v historii kosmického výzkumu nakonec ukončil svůj provoz 30. ledna 2020.

2) Kepler

Giordano Bruno uvažoval o tisících planet u jiných hvězd již v 16. století.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Jen málokterý obor fyziky si prošel tak podivuhodným vývojem jako výzkum extrasolárních planet, tedy planet mimo Sluneční soustavu. O možnosti existence takových těles spekulovali již někteří filosofové ve starém Řecku. V raném novověku vedl podobné úvahy proslulý italský myslitel a filosof Giordano Bruno. Nicméně reálné nalezení planet u jiných hvězd dlouho zcela vylučovaly omezené schopnosti naší techniky. Až teprve v průběhu 20. století započaly vážné pokusy o pozorování první exoplanety. Mnoho desetiletí ovšem veškeré snahy končily fiaskem. Kromě několika ohlášených a posléze odvolaných objevů se žádné valné výsledky nedostavily.

Všechno se změnilo v roce 1992, kdy Aleksander Wolszczan a Dale Frail detekovali první exoplanetu. K překvapení většiny astronomů šlo o planetu u pulsaru, tedy pozůstatku po výbuchu supernovy, kde se žádné větší objekty neočekávaly. Z pohledu lidstva poněkud významnější objev přišel o tři roky později. Švýcarští astronomové Michel Mayor a Didier Queloz nalezli první planetu u hvězdy hlavní posloupnosti, jakou je také Slunce. I zde se však dostavilo něco neočekávaného. Detekovaná planeta 51 Pegasi b je plynný obr, mateřskou hvězdu ale obíhá mnohem blíže než Merkur naše Slunce.

Exoplanetární statistika z roku 2020, kdy bylo známo asi 4300 planet.
Zdroj: https://s3.amazonaws.com/

Od té doby se s objevy exoplanet roztrhl pytel. Dnes je oficiálně známo asi 5 100 planet mimo Sluneční soustavu. Přestože se dají planety u jiných hvězd vcelku snadno pozorovat i ze Země, taktéž v tomto případě se brzy objevily úvahy o nasazení vesmírných dalekohledů. Počátkem tohoto století proběhlo několik průkopnických misí, my se však dnes budeme zaobírat především o něco pozdějším teleskopem Kepler, který je dosud ze všech lovců planet nejúspěšnějším.

Start dalekohledu Kepler.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Kepler byl navržen v rámci programu Discovery (dále třeba Mars Pathfinder nebo Messenger) a schválen jako jeho jubilejní desátá mise. Po několika odkladech odstartoval dalekohled do kosmického prostoru v březnu 2009 na raketě Delta II. Vzlet i navedení na správnou, heliocentrickou dráhu s oběžnou dobou 372 a půl dne, proběhly úspěšně. Proto mohla v květnu 2009 započít vědecká fáze projektu. Mezi hlavní úkoly patřilo pozorování planet v obyvatelných zónách a určení velikosti a oběžných drah těchto planet. Dále fyziky zajímaly krátkoperiodické obří planety a jejich charakteristiky a též vlastnosti hvězd s planetárními systémy.

Pro pozorování nesl Kepler Schmidtův teleskop o průměru 1,4 metru, v té době největší astronomický dalekohled mimo oběžnou dráhu Země, jehož zorné pole pokrývalo oblast velkou asi 115 čtverečních stupňů. Pro hledání planet vybrali odborníci oblast na severní hvězdné obloze rozkládající se převážně v souhvězdích Labutě a Lyry, malou částí však zasahovala rovněž do souhvězdí Draka. Tuto oblast měl Kepler prohlížet stále dokola a hledat u zdejších hvězd důkazy přítomnosti planet, zejména terestrického typu.

Konstrukce teleskopu Kepler.
Zdroj: https://www.nasaspaceflight.com

Keplerův teleskop používal tranzitní detekční metodu, kdy se sledují přechody planety přes kotouč mateřské hvězdy, což vyvolává změny jasnosti dotčené hvězdy. Tato metoda je velmi úspěšná, má však i některé nevýhody. Tou největší je pochopitelně fakt, že jí nelze zachytit planety, které prostě přes kotouč hvězdy neprochází. I tak ovšem existovala naděje na velké množství zajímavých objevů.

V cílové oblasti vybrali specialisté k pozorování asi 150 000 hvězd hlavní posloupnosti převážně spektrálního typu G. Fyzikální komunita se dohodla, že k potvrzení objevu by měly stačit tři tranzity tělesa před mateřskou hvězdou, čímž se potvrdí, že se nejedná o chybu (užívaly se ovšem i jiné techniky, třeba pozorování pozemními teleskopy). Proto se očekávaly nejprve objevy hmotných planet blízkých svým hvězdám. A skutečně. Taková data přišla již po několika měsících pozorování, v lednu 2010 zveřejnil vědecký tým první výsledky.

Názorná ukázka tranzitní metody detekce exoplanet
Zdroj: https://www.researchgate.net/

V roce 2013 došlo bohužel k selhání druhého ze čtyř setrvačníků, což znemožnilo pokračování pozorování v zamýšlené cílové oblasti. Vědci nicméně nalezli způsob jak v hledání exoplanet pokračovat, když vymysleli nový způsob stabilizace pomocí tlaku slunečního záření a korekčních motorů. To sice znamenalo, že dalekohled musel jednou za čtvrt roku změnit svou orientaci v prostoru a tím pádem i studované hvězdy nešlo sledovat neustále, avšak přístroj dál mohl sloužit svému účelu.

Oblast, ve které Kepler hledal exoplanety během primární mise.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Až roku 2018 došlo teleskopu palivo, čímž po více než devíti letech skončila mimořádně úspěšná mise tohoto úchvatného přístroje. Původní plán na činnost v délce tří a půl roku tedy dalekohled překročil o více než šest let. K deaktivaci došlo 15. listopadu, na den přesně 388 let po úmrtí Johannese Keplera, jednoho z nejvýznamnějších fyziků všech dob, po němž nesl dalekohled jméno.

Za dobu své práce pozoroval Kepler 530 506 hvězd, detekoval 2 662 exoplanet a několik tisíc kandidátů čekajících na potvrzení. Na základě těchto dat vědci odhadli, že v Mléčné dráze u hvězd podobných Slunci může být v obyvatelných zónách asi 11 miliard kamenných planet o velikosti srovnatelné se Zemí.

Podíváme-li se po konkrétních objevech, můžeme si říci něco o menších objevených planetách v obyvatelných zónách. Takovými jsou Kepler-62e, Kepler-62f, Kepler-186f, Kepler-296e, Kepler 296f, Kepler-438b, Kepler-440b, Kepler-442b, Kepler-560b, Kepler-705b, Kepler-1229b, Kepler-1410b, Kepler-1455b, Kepler-1544b, Kepler-1593b, Kepler-1606b a Kepler-1638b. Posledně jmenovaná je dosud nejvzdálenější známou potenciálně obyvatelnou planetou, od Země ji dělí 5 200 světelných let.

Planety v obyvatelných zónách objevené Keplerovým dalekohledem.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Velmi zajímavý je také systém Kepler-90 vzdálený 2 840 světelných let nacházející se v souhvězdí Draka. Obsahuje totiž 8 planet, navíc podobně uspořádaných jako v naší soustavě, tedy s kamennými planetami blízko hvězdy a vzdálenějšími plynným obry. Nicméně všech 8 planet obíhá kolem mateřské hvězdy blíže než Země kolem Slunce a rovná polovina dokonce blíže než Merkur. Velké množství planet má třeba ještě systém Kepler-11, rovných šest, kromě jedné ovšem všechny obíhají v menší vzdálenosti než Merkur od Slunce. V systému Kepler-160 pro změnu vědci nalezli planetu vzdálenou od své hvězdy 1,089 astronomické jednotky, jejíž oběh trvá 378 dní a dostává jen o 7 % méně záření než Země od Slunce. Její teplota činí odhadem 244 K. Nejvíce se však liší hmotností, tu má oproti Zemi téměř dvojnásobnou.

Porovnání systémů Kepler-90 a Sluneční soustavy.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

O dalších objevech by se dalo hovořit ještě dlouze a možná se k nim někdy vrátíme. Faktem je, že i přes určité problémy se Kepler nesmazatelně zapsal do historie astronomie a fyziky. Navázaly a naváží na něj ovšem i další projekty, o nichž si ještě povíme v jednom z příštích dílů našeho seriálu.

Čestné zmínky

Herschelův vesmírný dalekohled.
Zdroj: https://www.herschel.caltech.edu/

Jako u všech podobných žebříčků je nutno předem poznamenat, že kdyby na mém místě seděl jiný fyzik či zájemce o kosmonautiku, pravděpodobně by jeho pořadí vypadalo úplně jinak a v mnoha bodech bychom se zřejmě ani neshodovali. Snažil jsem se ale zařadit přístroje, které byly podle mého pohledu průkopnické a přinesly nejdůležitější výsledky. Přesto se pochopitelně na mnoho zajímavých a zásadních observatoří nedostalo.

Opomenul jsem třeba rentgenový teleskop Uhuru, důležitý při identifikaci prvních vesmírných zdrojů rentgenového záření. Nedostalo se ani na další rentgenový dalekohled BeppoSAX nebo infračervenou observatoř Herschel. Nezařadil jsem ani sondy WMAP a Planck zkoumající reliktní záření, přestože totiž mají přesnější výsledky, COBE je podle mého soudu z hlediska vývoje oboru významnější.

1) COBE

ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array)
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

Posuneme-li se v elektromagnetickém spektru dále od viditelného světla, opustíme též infračervenou oblast a dostaneme se až k mikrovlnám s vlnovými délkami mezi 1 mm a 1 m. Mikrovlnné záření má tedy už dosti nízkou frekvenci a energii. Na rozdíl od mnoha jiných typů elektromagnetického záření se dá za určitých okolností pozorovat i z povrchu Země, či alespoň z atmosféry, což je velmi důležité pro kosmologický výzkum, kde hrají mikrovlny zásadní roli.

Atacama Cosmology Telescope.
Zdroj: https://www.nist.gov/

Abychom je však mohli na Zemi pozorovat, potřebujeme co nejnižší vlhkost vzduchu. Proto se pro pozorování v tomto oboru hodí zejména místa s vysokou nadmořskou výškou, pouště a polární oblasti. Fungující experimenty jsou umístěny například na jižním pólu nebo v poušti Atacama v Chile, což jsou obě velmi suchá místa vysoko nad mořskou hladinou. Vědci také někdy využívají služeb balonů, které jsou jejich zařízení schopny dostat do vyšších vrstev atmosféry.

Všechny zmíněné metody mají však dosti zásadní vadu. Už z principu nemohou pokrýt celou oblohu, vždy vidí jen její část. Pro řadu kosmologických pozorování je tak stále ideální dostat svoje detektory do kosmického prostoru. Američané proto začali v roce 1977 práce na sondě, která měla za úkol pozorování v mikrovlnné části spektra. Její hlavní úkol představovalo pozorování reliktního záření odděleného od látky v době, kdy byl vesmír ještě velmi mladý. Fyzikové chtěli potvrdit, zda spektrum reliktního záření skutečně odpovídá spektru absolutně černého tělesa a sonda se také měla pokusit najít v reliktním záření tzv. fluktuace, teplotní a hustotní odchylky od průměrných hodnot.

Cosmic Background Explorer.
Zdroj: https://science.nasa.gov/

Observatoř získala jméno COBE – Cosmic Background Explorer, protože ji však NASA vyvíjela v programu Explorer, lze se výjimečně setkat i s označením Explorer 66. Měřit měla v rozmezí vlnových délek 1 μm a 1 cm, přičemž odborníky zajímalo především spektrum reliktního záření zjišťované v rozsahu 100 μm až 1 cm, anizotropie reliktního záření určované mezi 3 a 10 mm a konečně též rozložení a spektrum rozptýleného infračerveného záření měřené pro vlnové délky 1 až 300 μm.

Ke splnění těchto úloh disponovala observatoř COBE třemi vědeckými přístroji. Spektrum reliktního záření měl stanovit FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer), fluktuace v reliktním záření se snažil najít DMR (Differential Microwave Radiometer) a rozptýlené infračervené záření měřil DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment). Aby se však mohlo docílit dostatečné přesnosti a citlivosti, musely se přístroje chladit na velmi nízké teploty. Satelit proto nesl zásobu 650 litrů kapalného helia o teplotě 1,6 K (jen 1,6 stupně nad absolutní nulou), umístěného v Dewarově nádobě, kolem níž se rozprostírala ještě kuželovitá sluneční clona.

Řez sondou COBE s vyznačenými vědeckými experimenty a dalšími důležitými prvky.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Naneštěstí přišly před vypuštěním vážné potíže, když NASA po havárii orbiteru Challenger uzemnila raketoplány. Na jednom z nich měla totiž COBE startovat. Proto ji nakonec do vesmíru dopravila raketa Delta II v listopadu 1989. COBE byla poté umístěna na cílovou oběžnou dráhu ve výšce 900 km nad povrchem a se sklonem 99 stupňů vůči rovníku.

Následující vědecká část mise předčila očekávání. Podařilo se potvrdit, že reliktní záření skutečně odpovídá spektru záření absolutně černého tělesa o teplotě 2,7 K a povedlo se též najít zmíněné fluktuace v reliktním záření, čímž se prokázalo, že reliktní záření není zcela izotropní. Odchylky jsou sice velmi malé, avšak přítomné. COBE také našla 10 nových galaxií emitujících infračervené záření a dalších 9 galaktických kandidátů. Dostalo se i na sledování bližšího vesmíru, zásluhou observatoře vznikl kupříkladu model galaktického disku viděného z boku.

Mapa fluktuací reliktního záření podle sondy COBE, která představuje jeden z nejvýznamnějších obrázků v historii fyziky. Ve skutečnosti ale vypadá reliktní záření při teplotě 2,72 K zcela izotropně a tyto odchylky se projeví až když přejdeme na úroveň mikrokelvinů.
Zdroj: https://lambda.gsfc.nasa.gov/

Spoustu důležitých otázek nicméně sonda COBE odpovědět nedokázala. Vzápětí proto přišly další, pokročilejší observatoře jako WMAP a Planck, které měly daleko vyšší citlivost i rozlišení. To, co COBE pouze tušila či naznačila nové družice viděly mnohem jasněji. Avšak COBE svou roli splnila na výbornou a navždy jí zůstanou mnohá prvenství. Posloužila jako důležitý průkopnický experiment ukazující skutečný potenciál kosmologie jako moderní vědy.

Závěr

V příštím pokračování našeho miniseriálu se zaměříme na sondy a teleskopy, které dnes stále ještě fungují a přináší vědecká data. Tyto opět podrobně rozebereme z pohledu jejich významu pro fyziku a astronomii.

Doporučené a použité zdroje

• Comptonova gama observatoř NASA:
  https://web.archive.org/web/19961209190738/http://cossc.gsfc.nasa.gov/
• Hipparcos: https://www.cosmos.esa.int/web/hipparcos
• Spitzerův teleskop NASA: https://www.nasa.gov/mission_pages/spitzer/main/index.html
• Spitzerův teleskop Caltech: https://www.spitzer.caltech.edu/
• Keplerův dalekohled: https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/main/index.html
• COBE: https://science.nasa.gov/missions/cobe

Zdroje obrázků

• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/af/Cobe_vision1.jpg
• https://letstalkscience.ca/sites/default/files/styles/width_800px/public/2020-02/electromagnetic_spectrum_0.png?itok=GoWGTGC2
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d9/CGRO_s37-96-010.jpg/1200px-CGRO_s37-96-010.jpg
• http://spacefacts.de/graph/sts/launch2/sts-37.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3e/NASA_image_STS37-051-021_Jay_Apt_on_the_first_EVA_of_STS-37_with_CGRO.jpg
• https://asd.gsfc.nasa.gov/blueshift/wp-content/uploads/2016/04/batse_grbs_2160_0.jpg
• https://www.daviddarling.info/images/distance_ladder.jpg
• https://www.cosmos.esa.int/documents/532822/580869/4.jpg/e6d8271d-9ef6-46c3-9eba-4cdd66be7e54?t=1429883563549
• https://www.cosmos.esa.int/documents/532822/580869/1.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Veniamin-Vityazev/publication/225407929/figure/fig2/AS:393802406744067@1470901218659/Distribution-of-Hipparcos-stars-over-the-celestial-sphere-for-the-range-of-distances.png
• https://wwwhip.obspm.fr/heritage/hipparcos/SandT/images/mappingb.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/51/STS-3_infrared_on_reentry.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8b/IRAS_in_orbit.jpg
• https://www.spitzer.caltech.edu/system/avm_images/binaries/2507/larger/launch0825-05.jpg?1603804337
• https://irsa.ipac.caltech.edu/data/SPITZER/docs/spitzermission/missionoverview/spitzertelescopehandbook/images/Spitzer_Telescope_Handbook008.png
• https://www.spitzer.caltech.edu/system/avm_images/binaries/1333/larger/ssc2004-20a2.jpg?1603792044
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Global_Temperature_Map_for_Exoplanet_HD_189733b.jpg
• https://www.spitzer.caltech.edu/system/avm_images/binaries/1541/larger/ssc2006-02a1.jpg?1603788282
• https://www.reuters.com/resizer/7xVq7V6QyW1yp2MU5Hvfn_eI-P4=/960×0/filters:quality(80)/cloudfront-us-east-2.images.arcpublishing.com/reuters/62SYSXTSJNI5BPYLCMJ75WZKVQ.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/15/Giordano_Bruno.jpg
• https://s3.amazonaws.com/images.spaceref.com/news/2020/oodemographics.jpg
• https://www.nasa.gov/sites/default/files/styles/side_image/public/thumbnails/image/316541main_keplerlaunch_-_low-res.jpg?itok=QrEocyPA
• https://www.nasaspaceflight.com/wp-content/uploads/2018/10/2018-10-30-19_55_38-Kepler-Planet-Hunting-Mission-in-Jeopardy-Universe-Today-412×350.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/commons/0/07/Kepler_FOV_hiRes.jpg
• https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/press-web15_kepler_hz_planets_edit.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Kepler-90_MultiExoplanet_System_-_20171214.jpg
• https://www.herschel.caltech.edu/assets/herschel_spacecraft-50df5d6f61c4c0ab316f7fc1a929b809.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b6/The_Atacama_Compact_Array.jpg/1280px-The_Atacama_Compact_Array.jpg
• https://www.nist.gov/sites/default/files/images/2021/09/30/ACT%20telescope.jpg
• https://science.nasa.gov/science-red/s3fs-public/styles/large/public/thumbnails/image/COBEBIG.GIF?itok=Z2Oacz76
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/COBEDiagram.jpg
• https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/cobe/cobe_images/cmb_fluctuations_big.gif