Po startu Webbova dalekohledu by leckdo možná mohl nabýt dojmu, že Hubbleův vesmírný teleskop již patří do starého železa a měl by maximálně tak dosloužit, ale pro astronomy už nemá žádný velký význam. Toto by však bylo velmi daleko od pravdy. Hubbleův teleskop má stále v astronomii a fyzice své pevné místo a jeho pozorování jsou pořád nesmírně důležitá. Nyní vlastně možná paradoxně naopak důležitější než dříve. A to právě kvůli možnosti srovnání s výsledky Webbova dalekohledu. Ovšem i další jeho objevy jsou velmi hodnotné. Na jeden takový se dnes podíváme.

LIGO a gravitační vlny

LIGO Livingston (stát Louisiana).
Zdroj: https://www.ligo.caltech.edu/

V roce 2016 fyzikové ohlásili, že se na americké observatoři LIGO konečně podařilo přímo pozorovat gravitační vlny. Ty předpověděl Einstein již v roce 1915 a vědci měli jasný důkaz o jejich existenci od 70. let minulého století. Přímé pozorování však chybělo. To změnila událost GW150914, kdy detektory v USA zachytily splynutí dvou černých děr, které se odehrálo více než miliardu světelných let daleko. Od té doby LIGO a italské VIRGO zaznamenaly několik desítek dalších gravitačních událostí, z nichž naprostá většina je také srážkami dvou černých děr.

Umělecká představa srážky neutronových hvězd. Této události se také říká kilonova a je bohatým zdrojem některých velmi těžkých chemických prvků.
Zdroj: https://aasnova.org/

Existují ale i výjimky. První a zatím nejvýznamnější z nich je pozorování ze 17. srpna 2017 známé jako GW170817. Jedná se o historicky první zaznamenanou srážku dvou neutronových hvězd. Výsledkem byla masivní exploze nazývaná kilonova (asi tisíckrát jasnější, než běžná nova, proto předpona kilo). Splynutí černých děr se projevuje jen gravitačně a elektromagnetický signál je zde zcela zanedbatelný, pokud vůbec existuje. Naproti tomu u srážky neutronových hvězd se velmi brzy podařilo několika kosmickým observatořím, jako byly družice Fermi či Swift, najít elektromagnetický signál srážky.

Gama záblesk GRB 170817A

Porovnání signálů z gama observatoře Fermi a detektorů LIGO při stejné události GW170817, respektive GRB170817A.
Zdroj: https://i.ytimg.com/

Ukázalo se, že ke srážce došlo v čočkovité galaxii NGC 4993 vzdálené asi 130 milionů světelných let od Slunce ve směru souhvězdí Hydry. Poprvé se tak povedlo přesně určit místo, odkud k nám přiletěly gravitační vlny. Signál z události nakonec pozorovalo více než 70 pozemských i kosmických teleskopů a to v různých oborech. Fermi a Swift detekovaly pochopitelně především gama záření, avšak signál zachytily také rentgenové observatoře, dalekohledy pracující ve viditelném světle a radioteleskopy.

Galaxie NGC 4993, v níž k události došlo, na snímku z Evropské jižní observatoře.
Zdroj: https://cdn.eso.org/

Dva dny po zachycení signálu gravitačních vln byl na tuto galaxii zaměřen i Hubbleův kosmický dalekohled. Ten poměrně detailně nasnímal bezprostřední okolí srážky. Nicméně vyhodnocení dat trvalo několik let a podrobnosti se dostaly ven až před několika měsíci. Již dříve bylo známo, že se při události srazily dvě neutronové hvězdy za vzniku objektu, který je velmi pravděpodobně černou dírou, ačkoliv to není úplně jisté.

Co však víme zcela určitě je, že srážka vedla k uvolnění obrovského množství energie ve formě elektromagnetických a gravitačních vln. A také to, že v okolí výsledného objektu zůstalo množství trosek z původních těles. Tyto se velmi rychle zformovaly do akrečního disku, ploché struktury tvořené drobnými částečkami materiálu, který obíhá kolem centrálního tělesa.

Umělecká představa akrečního disku.
Zdroj: https://astronomy.com/

Při oběhu probíhají v akrečním disku fyzikální procesy různého druhu, například tření, které generují poměrně značné množství energie. Díky tomu lze potom vidět i jinak neviditelné nebo těžko detekovatelné objekty jako jsou černé díry či neutronové hvězdy. Procesy v okolí černé díry, jako třeba Salpeterův – Zeldovičův jev zmíněný u kvasarů či některé další, které probereme podrobněji někdy příště, navíc způsobují to, že dochází k tvorbě tzv. relativistických výtrysků. Jde o to, že z pólů černé díry tryskají do okolního prostoru obrovskou rychlostí úzké svazky částic.

Výtrysky z GRB 170817A

Snímek pulsaru Vela a jeho relativistického výtrysku pořízený observatoří Chandra.
Zdroj: https://chandra.harvard.edu/

Právě proto, že se materiál v těchto výtryscích pohybuje tak rychle, hovoříme o relativistických výtryscích. Částice zde dosahují rychlostí velmi blízkých rychlosti světla, což obvykle popisujeme speciální teorií relativity. Pokud tyto výtrysky míří správným směrem, můžeme je zachytit našimi teleskopy, respektive často pouze jeden z výtrysků, který je vůči nám vhodně natočen.

Přesně to se stalo při této události, kdy místo srážky neutronových hvězd pozoroval Hubbleův vesmírný dalekohled. Trvalo však poměrně dlouho, než se vědcům podařilo získaná data analyzovat. Měření Hubbleova teleskopu navíc zkombinovali s jinými přístroji, jako jsou evropská družice Gaia a pozemské radioteleskopy, které snímaly místo 75 až 230 dní po srážce.

Vizualizace směrování relativistických výtrysků při gama záblesku.
Zdroj: https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/

Díky tomu dosáhlo pozorování extrémní přesnosti. Velmi dobře se povedlo určit místo, kde ke srážce došlo a také rychlost částic ve výtrysku. Ty dosáhly více než 99,97 % rychlosti světla (c). Ovšem s ohledem na to, že jeden z výtrysků mířil téměř přímo k nám je třeba poznamenat, že Hubbleův teleskop pozoroval, že se částice pohybovaly sedmkrát vyšší rychlostí, než je rychlost světla, později zpomalily na čtyřikrát vyšší rychlost oproti konstantě c.

Superluminální efekt

Superluminální pohyb
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Ne, nezbláznil jsem se a ani se Einstein nemýlil, není tedy třeba přepisovat učebnice. Jedná se o tzv. superluminální efekt. Pokud míří relativistický výtrysk směrem k pozorovateli, dochází k optickému klamu, kdy se pozorovateli zdá, jakoby se k němu signál blížil nadsvětelnou rychlostí. Jde ovšem pouze o dojem, nikoliv skutečnost. Když totiž pozorujeme výtrysk mířící vysokou rychlostí proti nám, podceňujeme silně čas nutný k vyzáření světla a naopak nadhodnocujeme rychlost. Navíc výtrysk obvykle nemíří přímo směrem k nám, ale pozorujeme jej pod určitým úhlem.

Čím menší úhel svírá skutečný směr výtrysku s přímkou viditelnosti Země (přímka mířící přesně ve směru ke vzdálenému objektu), tím vyšší zdánlivou rychlost pozorujeme. U objektů mířících svůj výtrysk téměř přímo k Zemi jde až o zdánlivé rychlosti kolem desetinásobku c. Ve skutečnosti ovšem nic rychlost světla překonat nemůže, jak víme. A tento nesoulad je dán rozdílem mezi zdánlivou rychlostí vzdálených objektů a skutečnou rychlostí měřenou poblíž zdroje. Efekt se pozoruje pouze v případě, kdy je skutečná rychlost blízká rychlosti světla.

Detailní záběr na část galaxie M87. Vlevo je vidět jádro, v němž je ukrytá supermasivní černá díra M87*, z jádra až k pravému spodnímu rohu obrázku se táhne zřetelný výtrysk (dlouhý přes 5 000 světelných let), který pohání právě centrální černá díra. U tohoto výtrysku byl pozorován superluminální efekt v roce 2019.
Zdroj: https://astroengine.files.wordpress.com/

Zdánlivou rychlost lze snadno vypočítat pokud známe úhlovou rychlost a vzdálenost k objektu. Tento výpočet je ale při bližším pohledu nepřesný, protože nezohledňuje konečnost rychlosti světla. U vzdálených objektů musíme kvůli konečné rychlosti světla operovat s velkým zpožděním mezi pozorováním a skutečností. Takže v případě objektu, který má složku rychlosti namířenou k nám, zmíněné časové zpoždění se zmenšuje a z toho vzniká chyba ve výše uvedeném naivním výpočtu. Jinými slovy, pokud se k nám objekt přibližuje, zdánlivá rychlost je vyšší, než skutečná.

Závěr

Skupina amerických astrofyziků zvládla konečně zpracovat data a připravila k publikaci odborný článek, který vyšel v odborném časopisu Nature v říjnu loňského roku. GW170817 tak přináší fyzikům a astronomům z celého světa velký užitek i po více než pěti letech od pozorování. A další zajímavé výzkumy na nás možná ještě čekají. Gravitační astronomie totiž sotva začala naznačovat svůj potenciál. Věřím proto, že u podobných článků se zde ještě mnohokrát v budoucnu setkáme.

Použité a doporučené zdroje

• Nature – https://www.nature.com/articles/s41586-022-05145-7
• Sci News – https://www.sci.news/
• NASA Hubble – https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/main/index.html
• Hubblesite – https://hubblesite.org/

Zdroje obrázků

• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3f/HST-SM4.jpeg
• https://i.ytimg.com/vi/-Yt5EmEgz2w/maxresdefault.jpg
• https://www.ligo.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/30/large/ligo-livingston-aerial-02.jpg?1447107179
• https://cdn.eso.org/images/screen/eso1733b.jpg
• https://astronomy.com/-/media/Images/Magazine%20Articles/2022/06/ASYAC0622_02.jpg?mw=600
• https://chandra.harvard.edu/photo/2013/vela/vela_labeled.jpg
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/hPivWAfZjyiWV5NKM9xiF8-1200-80.jpeg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/32/Superluminalmotion.gif
• https://astroengine.files.wordpress.com/2009/08/m87.jpg?w=768