Vážení čtenáři, je mi velkou ctí, že právě já mohu zahájit letošní ročník pravidelného seriálu TOP 5, který na našem webu vychází pravidelně, rok co rok, každé prázdniny již od léta 2015. V minulých ročnících jste měli možnost se seznámit s celou řadu zajímavých a mnohdy netušených aspektů kosmonautiky. Vybíráme témata vážná i odlehčená, proto si dovolím připomenout, že přesné pořadí pěti bodů v tom konkrétním článku někdy může být jasně dané a neměnitelné, ale poměrně často závisí na libovůli autora. Mnohdy jde tedy o subjektivní názor a kdyby psal článek někdo jiný, patrně by volil jiné pořadí, či některé body dokonce zcela vynechal a vyměnil za jiné. Svůj názor na pořadí a výběr autora můžete vyjádřit v diskuzi pod článkem. Ale dost mlácení prázdné slámy, pojďme rovnou na věc.

V úvodním dílu tohoto roku si dovolím volně navázat na mé články z roku předchozího a vrátíme se k zajímavým fyzikálním observatořím pracujícím v kosmickém prostoru. V minulosti jsme si už představili nejzajímavější observatoře minulosti, současnosti i budoucnosti. V posledním mém článku loňského roku pak také pozoruhodné zrušené mise. Dnes se obrátíme opět k budoucnosti. Ovšem oproti článku z loňského roku dnes budeme hovořit o projektech, které by se sice možná mohly někdy uskutečnit, avšak zatím nejsou schváleny k realizaci, jinými slovy jde o „pouhé“ návrhy.

5) Uranus Orbiter a Neptune Odyssey

Voyager 2
Zdroj: https://upload.wikimedia.org

V rámci naší Sluneční soustavy jsme již prozkoumali celou řadu planet, měsíců i menších těles. Přesto však zůstává dosud mnoho nejasností. Kupodivu jen velmi málo toho víme o vnějších velkých planetách Uran a Neptun. Oba světy jsou sice velmi zajímavé, ale současně dosti vzdálené, proto kolem obou prozatím prolétla jen jediná sonda – Voyager 2.

To by se ale mohlo změnit, neboť vědci již dlouho navrhují specializované sondy určené k průzkumu Uranu a Neptunu a soustavám jejich měsíců. Tyto koncepty se objevují vcelku pravidelně, v poslední době však naděje na jejich realizaci o něco stoupla, s ohledem na to, že se do provozu dostávají nové silnější rakety schopné sondy vynést a zajistit poměrně rychlý přelet k cílovým tělesům. Jako nosná raketa by mohla posloužit supertěžká SLS, uvažuje se ale i o využití Falconu Heavy.

Možná podoba sondy Uranus Orbiter and Probe.
Zdroj: https://www.teslarati.com/

Nejnadějnější misí, jež by mohla zamířit k Uranu, je návrh Uranus Orbiter and Probe, který počítá s přeletem trvajícím 13 a půl roku (za využití gravitačního praku u Jupiteru) a vědeckou fází dlouhou čtyři a půl roku. Sonda by neměla zkoumat jen samotnou planetu, ale i velké měsíce Uranu, které jsou skutečně hodny pozornosti.

Plánuje se několikanásobný průlet kolem každého z pěti hlavních měsíců. Jejich poznání nám umožní lépe pochopit raný vývoj Sluneční soustavy včetně období pozdního těžkého bombardování a těles, jež tehdy putovala do vnitřní části systému. Experti se také domnívají, že by některé z větších měsíců mohly disponovat vnitřními zdroji tepla a snad na nich najdeme i podledovcové oceány. A odborníky zajímají též prstence Uranu, které sice nejsou natolik výrazné jako u Saturnu, ale existují.

Další možná podoba sondy, zde v představě umělce v systému Uranu.
Zdroj: https://i.pinimg.com/

Rovněž magnetické pole Uranu patří mezi hlavní zájmy planetologů. Centrum magnetického pole se totiž nenachází ve středu planety, ale je vychýleno o asi 60 stupňů vzhledem k ose rotace. Ta je mimochodem také dosti zvláštní, jelikož sklon rotační osy planety je 97,77 stupně. Uran a jeho měsíce se tak po své dráze kolem Slunce jakoby valí. Ale zpět k magnetickému poli. Jeho existenci dosud nedokážeme uspokojivě vysvětlit, myslíme si ale, že vzniká poměrně blízko povrchu, jisté to nicméně není. Také zde může Uranus Orbiter velmi pomoci.

Snímek Uranu od dalekohledu Jamese Webba
Zdroj: https://cdn.esawebb.org/

A v neposlední řadě specialisty zajímá i samotná planeta, její atmosféra a složení. Podle sondy Voyager 2 má Uran poměrně poklidnou atmosféru, pozdější pozorování Hubbleova teleskopu jsou s tím však v rozporu, spíše se zdá, že závisí na natočení planety vzhledem ke Slunci. Právě atmosféru a oblačnost na Uranu by planetologové velmi rádi prozkoumali. Dalším zájmem je cirkulace mas plynu mezi vnějšími a vnitřními vrstvami atmosféry a s tím související pochopení vnitřní struktury planety. Dosud třeba přesně nevíme, jak vypadá jádro Uranu.

Návrh mise počítá se sondou o hmotnosti asi 7 235 kilogramů, z toho ovšem většinu má tvořit palivo. Suchá hmotnost sondy by měla dosáhnout asi 2 756 kilogramů. Vědecké přístroje budou tvořit asi 60 a půl kilogramu a atmosférická sonda pak 19,7 kilogramů. Pokud vše půjde dobře, mohla by snad sonda odstartovat někdy po roce 2030 a k Uranu přiletět v polovině 40. let. Zpráva Planetary Science Decadal Survey pro roky 2023 až 2032 totiž dává misi k Uranu nejvyšší prioritu.

Možná podoba sondy Neptune Odyssey.
Zdroj: https://cfn-live-content-bucket-iop-org.s3.amazonaws.com/

Stejná studie zmiňuje i misi k druhému z ledových obrů, planetě Neptun. Někteří planetologové ji dokonce považují za vědecky hodnotnější, neboť u Neptunu najdeme velký ledový měsíc Triton, jenž vykazuje geologickou aktivitu. Nicméně kvůli snadnější logistice a nižším nákladům dostala nakonec vyšší prioritu mise k Uranu. Avšak nejpropracovanější návrh letu k Neptunu, Neptune Odyssey, je rovněž hodný pozornosti, pojďme si jej tedy alespoň stručně představit.

Neptune Odyssey a její umístění do Falconu (vlevo) nebo SLS (vpravo).
Zdroj: https://pbs.twimg.com/

Koncept počítá se sondou o hmotnosti 3 218 kilogramů, z čehož 1 594 má být suchá hmotnost sondy. Užitečné zařízení má mít 214 kilogramů, plus 220 kilogramů atmosférická sonda, která by měla být po vzoru mise Galileo uvolněna do atmosféry planety, v tomto případě Neptunu. Tu by zkoumala asi 37 minut. U hlavní sondy je zamýšlená životnost čtyři roky, během nichž by mělo dojít až k 46 průletům kolem nejzajímavějšího z měsíců, tedy Tritonu.

Než ale dojde k vlastnímu výzkumu, musí sonda nejprve odstartovat do kosmického prostoru. K tomu poslouží raketa SLS. Dále bude následovat 16 let dlouhá přeletová fáze. Gravitační manévr u Jupiteru by sice zkrátil přelet na 12 let, avšak ke startu by v takovém případě muselo dojít před rokem 2032.

Umělecká představa sondy u Neptunu a jeho měsíců.
Zdroj: https://civspace.jhuapl.edu/

Jak už jste asi pochopili, zvláštní pozornost přitahuje měsíc Triton. Vědce zajímá především to, zda jde o těleso s podpovrchovým oceánem a otázky související s jeho geologickou aktivitou. V jejím důsledku má vlastní řídkou atmosféru, jejíž povaha není dosud přesně známa. Porozumění tomuto zvláštnímu světu nám může přinést další užitečné informace týkající se transneptunických těles.

Podobně jako Uran, i Neptun disponuje dosti podivným magnetickým polem. Také zde pozorujeme výrazné odchýlení od osy rotace, což je argument pro to, že u Uranu není tento jev způsoben značným sklonem rotační osy, která je u Neptunu skloněna o pouhých 1,77 stupně. Voyager 2 pozoroval u Neptunu polární záře. Pochopení magnetismu u Neptunu je jedním z hlavních cílů mise Neptune Odyssey. A podobně jako u Uranu, také u osmé planety našeho systému vědce zajímá atmosféra a vnitřní složení tělesa, jakož i Neptunovy prstence.

Neptun z Webbova dalekohledu.
Zdroj: https://cdn.esawebb.org/

V dřívějších verzích konceptu byl zvažován i lander měsíce Tritonu a to ve dvou verzích. První počítala s měkkým přistáním jako tomu bylo v případě modulu Huygens na Titanu. Druhá varianta operovala s impaktorem, jenž by uvolnil z povrchu měsíce materiál. Ten by pak mohla přímo prozkoumat hlavní sonda. Kvůli prioritě uspoření hmotnosti na orbitální sondu a riziku z přiblížení k Tritonu se už v pozdějších návrzích tento koncept neobjevuje.

4) LUVOIR

Webbův dalekohled, právě na něj má LUVIOR navazovat.
Zdroj: https://www.esa.int/

Sotva jsme dostali do kosmického prostoru dlouhá léta vyvíjený a očekávaný Vesmírný teleskop Jamese Webba, už se začalo poměrně hlasitě mluvit o novém, ještě větším teleskopu, který by jej jednoho dne mohl nahradit. Nepůjde nicméně o náhradu v pravém smyslu slova. Navrhovaný přístroj totiž nebude pozorovat pouze v infračervené části spektra, jako je tomu u Webbova dalekohledu, ale v infračervené, viditelné i ultrafialové oblasti. Tomu odpovídá i jeho prozatímní název Large Ultraviolet Optical Infrared Surveyor (LUVOIR).

Varianty LUVOIRu A a B ve srovnání s Hubbleovým a Webbovým dalekohledem.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Pracovní skupina navrhla dvě verze budoucího teleskopu. První nazývejme pro zjednodušení variantou A. Druhou opět pro zjednodušení variantou B. Tím nechci říci, že by snad byla nějak podřadnější, jedná se čistě o rozlišovací označení. Prostě béčko. Nicméně varianta A počítá s primárním zrcadlem o průměru 15,1 metru, zatímco varianta B se zrcadlem osmimetrovým, to je pro zajímavost stejně, jako měl mít podle původních představ Webbův dalekohled.

Obě možnosti spojuje zamýšlený vědecký program. Ten zahrnuje pozorování objektů Sluneční soustavy, výzkum exoplanet a řešení velkých kosmologických otázek. V našem systému by měl LUVOIR zkoumat především čtyři velké planety, přičemž u Jupiteru nabídne rozlišení až 25 kilometrů. Dále vědce zajímají menší tělesa, tedy planetky, komety a objekty Kuiperova pásu. Vzhledem k tomu, že řadu těchto těles v dohledné době nenavštíví žádná sonda, mohou být informace od kosmických dalekohledů klíčové pro pochopení vývoje Sluneční soustavy. Stranou nemají zůstat ani měsíce velkých planet, kde by LUVOIR mohl pomoci třeba při studiu oblaků hmoty vyvržené z oceánů ledových měsíců jako jsou Europa či Enceladus.

Umělecká představa teleskopu LUVOIR.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Nový velký teleskop by měl být schopen přímého zobrazení povrchů alespoň některých extrasolárních planet. Poslouží velmi dobře také při analýze struktury a složení jejich atmosfér, kde by měl být schopen detekovat důkazy existence potenciálního života. Pomocí LUVOIRu totiž jednoznačně rozpoznáme typické chemické látky, jako jsou kyslík, ozón, oxid uhličitý, metan, vodní pára a mnohé další. Teleskop dovolí pozorovat a zkoumat množství exoplanet, přičemž se očekává nalezení alespoň několika desítek obyvatelných světů.

Složený LUVOIR v nákladovém prostoru Starship.
Zdroj: https://www.teslarati.com/

Pokud jde o astrofyziku a kosmologii, LUVOIR umožní důkladně prozkoumat kosmické struktury na menších, ale i mimořádně velkých škálách, a to i ve velmi vzdáleném vesmíru. Vědce enormně zajímají rovněž otázky týkající se vzniku a vývoje hvězd a formování planetárních systémů. Stranou pak nezůstane ani studium tvorby a evoluce galaxií v raném vesmíru.

O přesném přístrojovém vybavení teleskopu se toho zatím příliš neví. V návrhu se objevují vcelku standardní přístroje jako jsou kamery pro ultrafialové, viditelné a infračervené záření nebo spektrograf pro určení složení vzdálených objektů. Experti však uvažují i o poněkud exotičtější technice, například se hovoří o koronografu, který by měl schopnost odstínit světlo vzdálených hvězd, čímž by umožnil přímé pozorování řady exoplanet. A to není vše, počítá se totiž s chlazením přístrojů na pouhé 3 Kelviny (3 stupně nad absolutní nulu) nebo dokonce s úplnou novinkou, využití adaptivní optiky (systém pro korekci optiky v reálném čase) v kosmickém prostoru.

Takto by měl LUVOIR vidět některé objekty Sluneční soustavy.
Zdroj: https://pbs.twimg.com/

Po technické a vědecké stránce znějí plány na nový dalekohled velmi lákavě. Problematickou položku ale představuje cena, která se již nyní pohybuje v řádu 10 miliard dolarů, což je více než stál teleskop Jamese Webba. A to v případě schválení projektu cena ještě nepochybně naroste. Zda a v jaké podobě se LUVOIR vydá do blízkosti Lagrangeova bodu L2 soustavy Slunce – Země ke své minimálně pětileté misi proto ještě uvidíme. Velmi výstižný je v tomto původní název varianty LUVOIR-B, jenž zněl ATLAST. Šlo o slovní hříčku, jelikož kromě názvu Advanced Technology Large Aperture Space Telescope znamená tento výraz také slovo „nakonec“. Ano, nakonec se jistě nového přístroje dočkáme, o jeho přesné podobě však prozatím můžeme pouze spekulovat.

3) Big Bang Observer

Vizualizace observatoře LISA pohupující se na gravitačních vlnách.
Zdroj: https://www.aei.mpg.de/

Lidstvo poprvé přímo pozorovalo gravitační vlny před pouhými osmi lety. Vesmírnou observatoř proto prozatím nemáme žádnou, byť start některých z nich je na dobré cestě. Přesto už nyní vědci přemýšlí o nástupcích první generace kosmických detektorů. Observatoře jako LISA jistě přinesou řadu zajímavých poznatků, které zásadním způsobem posunou astrofyziku a kosmologii, avšak další generace přístrojů by měly gravitační astronomii posunout na zcela novou úroveň.

Hlavním zástupcem zvažovaných pokročilých observatoří je projekt s pracovním názvem Big Bang Observer (BBO). Již podle názvu tedy nepůjde o program se skromnými úkoly. Hlavním cílem totiž bude skutečně pozorovat velký třesk, či přesněji řečeno se podívat co nejblíže okamžiku samotného zrození našeho vesmíru. Umožní to takzvané reliktní gravitační vlny, pozůstatek po divokých procesech odehrávajících se na samotném počátku existence času a prostoru.

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

Dosud se nám podařilo pozorovat gravitační vlny z několika různých typů zdrojů, všechny však mají jedno společné. Jedná se o binární systémy hmotných objektů. Observatoře LIGO, VIRGO a KAGRA nejčastěji vidí splynutí dvojic černých děr, občas také srážku dvojice neutronových hvězd či černé díry s neutronovou hvězdou. Gravitační vlny ovšem pravděpodobně generují také supernovy nebo supermasivní černé díry, tedy zdroje, jež bude schopná detekovat právě observatoř LISA.

Všechny tyto druhy gravitačních vln nicméně vznikají až v poměrně vyvinutém vesmíru, kde již existují složitější objekty a struktury. Svatý grál gravitační astronomie i kosmologie však představuje záchyt reliktních gravitačních vln. Ty měly podle současných představ vzniknout v čase asi 10^-35 sekundy po vzniku vesmíru. Právě tento čas je nesmírně důležitý, neboť standardní metody kosmologie nám dovolí nahlédnout až do vesmíru starého 380 000 let.

Spektrum gravitačních vln.
Zdroj: https://www.esa.int/

Díky studiu reliktních neutrin lze tuto hranici posunout až na zhruba jednu sekundu a částicová fyzika dokonce umožňuje porozumět procesům odehrávajícím se ve vesmíru v čase asi 10^-13 sekundy. Reliktní gravitační vlny ale přidávají dalších 22 řádů, takže vědci budou moci nahlédnout do velmi raného kosmu. Navíc přináší gravitační vlny z počátku času ještě jeden velký benefit. Dnes si nejsme zcela jisti tím, jaký kosmologický model je správný. Ačkoliv většina fyziků by hlasovala pro inflační model, pozorování reliktních gravitačních vln nám pomůže definitivně rozhodnout mezi inflačním scénářem a některými konkurenčními hypotézami, které sice také předpovídají tento typ gravitačních vln, avšak se zcela odlišnými parametry.

Obrázek ukazující nutnou citlivost observatoře Big Bang Observer k detekci reliktních gravitačních vln (čerchovaná čára). V obrázku můžete také vidět různé druhy šumu s nimiž se observatoř bude muset vyrovnat (tečkovaná a plná čára).
Zdroj: https://www.semanticscholar.org/

Pozorovat reliktní gravitační vlny je však velmi obtížné. Samy o sobě jsou gravitační vlny mimořádně slabé, na jejich detekci potřebujeme extrémně citlivé detektory. Reliktní gravitační vlny ovšem představují ještě mnohem větší oříšek, jelikož tyto vlny mají dosti nízké frekvence a naopak velmi dlouhé vlnové délky. První generace vesmírných teleskopů si sice dělá naděje na jejich zachycení, avšak k němu by mělo dojít spíše nepřímo. Mnohem více informací snad přinesou detektory nové generace, jako je právě BBO.

Tato observatoř využije stejnou pracovní techniku jako LISA, tedy interferometrii. Mezi jednotlivými družicemi bude probíhat laserový paprsek, přičemž se bude neustále proměřovat vzdálenost mezi sondami. Také konfigurace bude podobná. Nicméně zatímco observatoř LISA vytvoří tři družice ve tvaru rovnostranného trojúhelníka, BBO bude disponovat hned čtyřmi takovými trojúhelníky.

Citlivost některých detektorů gravitačních vln na různých frekvencích a s tím související možnosti pozorování jednotlivých zdrojů gravitačních vln.
Zdroj: https://media.springernature.com/

Tyto čtyři trojúhelníky zamýšlí odborníci uspořádat do tří formací, které budou obíhat na stejné oběžné dráze kolem Slunce jako naše Země, a to ve vzájemné vzdálenosti 120 stupňů. Dvě formace plánují vědci podobné těm z observatoře LISA, tedy tři družice v rovnostranném trojúhelníku. Třetí formace bude tvořena dvěma takovými trojúhelníky uspořádanými do tvaru šesticípé hvězdy. LISA a BBO se budou lišit také vzdáleností mezi jednotlivými družicemi, která je u observatoře LISA v řádu milionů kilometrů, ale u BBO předpokládají experti jen asi 50 000 kilometrů. BBO ponese rovněž mnohem výkonnější lasery, než její předchůdkyně.

Možná podoba observatoře Big Bang Observer.
Zdroj: https://www.researchgate.net/

To ovšem za předpokladu, že se tento velkolepý projekt někdy uskuteční. Zatím je totiž ve stádiu fantazií a snění specialistů z oboru. Ale i pokud se do kosmického prostoru v jakékoli podobě podívá, stane se tak nejdříve za několik desítek let.

2) Lynx

Návrh teleskopu Lynx
Zdroj: https://pweb.cfa.harvard.edu/

Budoucí plány velkých observatoří nepočítají jen s misí LUVOIR, která pokryje ultrafialovou, viditelnou a infračervenou část elektromagnetického spektra, ale i s rentgenovou observatoří Lynx. Ta se svým průměrem 3 metry a ohniskovou vzdáleností 10 metrů výrazně překoná dosud provozované dalekohledy jako XMM-Newton a Chandra. V případě vypuštění (snad v polovině 30. let) by šlo o nejvýkonnější rentgenovou observatoř všech dob.

Pokud dostane teleskop zelenou, usadí se po startu a přeletu v blízkosti libračního centra L2 soustavy Slunce – Země. Zásoba paliva by měla stačit nejméně na dvacet roků nepřetržitého provozu bez jakékoliv údržby. Použité materiály však potenciálně umožní ještě delší provoz, v závislosti na množství spotřebovaných pohonných látek. Koncepčně vychází Lynx z v současnosti provozované mise Chandra, avšak pochopitelně s určitými úpravami a zlepšeními.

Porovnání navrhovaných velkých observatoří a jejich pozorovacích oken v elektromagnetickém spektru.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Zatímco u dosud vypuštěných dalekohledů se náklady pohybují kolem miliardy dolarů a jen u Webbova teleskopu narostly až na téměř 10 miliard dolarů, u observatoře Lynx se již od začátku počítá s náklady někde mezi 4,8 až 6,2 miliardy dolarů (dle hodnoty dolaru v roce 2020). Do této sumy se počítají kromě nákladů na vývoj a výrobu přístrojů též finance na nosnou raketu, prvních pět let provozu a určité peněžní rezervy. Částka naopak nezahrnuje potenciální příspěvky zahraničních partnerů (Evropa, Japonsko, Kanada). Dá se ovšem důvodně očekávat, že potřebné finanční prostředky nezůstanou na této hodnotě.

Porovnání parametrů observatoří Chandra, ATHENA a Lynx.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Na rozdíl od observatoře Chandra, avšak i oproti plánovanému evropskému teleskopu ATHENA nabídne Lynx téměř ve všech aspektech lepší parametry. Někde jen pětkrát či desetkrát, zato jinde bude až tisíckrát výkonnější. To pochopitelně povede k výraznému posunu ve vědeckém poznání. Rentgenové teleskopy mají celou řadu možností pozorování, pro Lynx však vědci stanovili tři hlavní cíle. Prvním je zlepšit naše pochopení černých děr, především těch vyskytujících se v raném vesmíru. Druhým úkolem bude porozumět vzniku a vývoji prvních galaxií. A také třetí bod se týká vesmíru v první miliardě let existence, observatoř by se totiž měla zaměřit na formování prvních hvězd a posléze hvězdných skupin.

Vizualizace teleskopu Lynx.
Zdroj: https://www.uah.edu/

To však nebude zdaleka všechno, teleskop by měl mít mnohem širší využití. Ať už jde o pozorování akrečních disků černých děr, studium velkorozměrových struktur vesmíru, sledování srážek neutronových hvězd a výbuchů supernov nebo dokonce vědu zaměřenou na objekty Sluneční soustavy. A v neposlední řadě také dnes tolik populární exoplanety. Dosud není známo kolik pozorovacího času by se případně věnovalo jednotlivým objektům, faktem ale zůstává, že bychom se díky teleskopu Lynx mohli dočkat mnoha objevů, které zásadním způsobem změní astrofyziku a nabídnou nové směry výzkumu.

Vnitřní uspořádání teleskopu Lynx i s vědeckými přístroji.
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Klíčové objevy umožní observatoři špičková technika, v první řadě optický systém Lynx X-ray Mirror Assembly (LMA), jenž sám o sobě výrazně zvýší citlivost observatoře, a také zlepší rychlost, přesnost a detailnost prováděných pozorování. Lynx dále ponese zařízení High Definition X-ray Imager (HDXI), které poskytne vysoké rozlišení ve velkém zorném poli. Zvláště citlivost mezi 0,2 a 10 keV bude mimořádně dobrá. Dalším přístrojem je Lynx X-ray Microcalorimeter (LXM) s vysokou citlivostí na tvrdé i měkké rentgenové záření a značným prostorovým rozlišením. Posledním vědeckým instrumentem by pak měl být X-ray Grating Spectromether.

Klíčová témata výzkumu observatoře Lynx. Nahoře vlevo černé díry, nahoře vpravo evoluce galaxií, dole vývoj hvězd.
Zdroj: https://images.squarespace-cdn.com/

Určitá část technického vybavení pro novou rentgenovou observatoř není dosud vyvinutá, stejně tak je třeba najít vhodná softwarová řešení. V obou případech lze ovšem částečně čerpat inspiraci od starších misí, zejména z observatoře Chandra. Jisté je, že v případě schválení nám mise Lynx nabídne zcela nový pohled na vesmír a učiní dosud ani netušené objevy.

1) New World Mission

HIP 65426 b, první exoplaneta přímo zobrazená Webbovým dalekohledem.
Zdroj: https://blogs.nasa.gov/

Pověstným svatým grálem vědy o exoplanetách je přímé zobrazení velmi vzdálených planet obíhajících kolem cizích hvězd. Zatímco totiž exoplanety detekujeme nepřímými metodami již 30 let, přímo pozorovat se nám dosud povedlo jen několik málo z celkem známých 5400 planet. Aby bylo možné takové objekty zobrazit, muselo jít o velmi specifická tělesa u velmi specifických hvězd. Například větší planety obíhající velmi daleko od středu své soustavy. Valná část planet nám tak zůstává zcela neviditelná. A to zejména těch, které nás zajímají nejvíce. Menší kamenné planety nacházející se v obyvatelných zónách svých hvězd přestavují pro přímé pozorování velkou výzvu.

Koronograf zastiňuje naše Slunce. Díky tomu jsou vidět jevy a objekty v blízkosti Slunce, které bychom jinak spatřit nemohli. Samotný koronograf je tmavě modrý kruh uprostřed snímku. Bílá kružnice uvnitř koronografu pak označuje velikost Slunce.
Zdroj: https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/

Právě proto je jednou z navrhovaných observatoří také koncept New World Mission zaměřený na přímé zobrazování blízkých exoplanet. Jak to však udělat, aby bylo možné planety pozorovat? Pravděpodobně i úplného laika napadne jeden velký problém. Chceme-li pozorovat nějakou planetu u hvězdy, pak nám velmi vadí právě světlo ze samotné hvězdy. Ať už jde totiž o hvězdu jakéhokoliv typu, její jas vždy extrémně převyšuje okolní planety, které pouze odráží světlo hvězdy.

Abychom mohli planety pozorovat, musíme nějakým způsobem zastínit mateřskou hvězdu. U Slunce lze pozorovat jeho atmosféru a blízké okolí za pomoci speciálního koronografu, který zastíní hlavní část hvězdy a naopak dovolí vidět korónu nebo objekty ležící v blízkosti slunečního kotouče. Něčeho podobného chtějí docílit fyzikové i u New World Mission. Navrhli proto zvláštní stínítko, jež by bylo vypuštěno souběžně s dalekohledem. Letělo by ovšem zvlášť a vždy by bylo umístěno před teleskopem tak, aby blokovalo světlo z právě pozorované hvězdy. Toto stínítko má mít průměr několika desítek metrů a inženýři počítají, že jej vytvoří ze speciálního lehkého materiálu zvaného kapton, který je podobný o něco známějšímu mylaru.

Úplně stejný princip lze aplikovat i u exoplanet. Byť tato představa koronografu je pochopitelně poněkud naivní.
Zdroj: https://i.ytimg.com/

Speciální stínítko dalekohledu v rámci projektu New World Mission by muselo letět do kosmu sbalené v nákladovém prostoru nosné rakety. Teprve na oběžné dráze by se rozvinulo a zaujalo určenou pozici. Její udržení by ovšem nebylo jen tak, aby celý systém fungoval správně, je potřeba umístit stínítko několik tisíc kilometrů před hlavní teleskop. Pokud jste už někdy viděli obrázek této potenciální mise, možná vás zarazil velmi specifický tvar onoho stínítka. To nevypadá takto podivně jen náhodou, či snad proto, že by vědci měli umělecké cítění, nýbrž z velmi rozumného důvodu.

Pokud by se použilo stínítko asi nejintuitivnějšího, tedy kruhového tvaru, nemohla by observatoř správně pozorovat. Světlo ze snímané hvězdy či jiného zdroje by se totiž v případě kruhového stínítka ohýbalo na jeho okraji a konstruktivně interferovalo. Koncept zní složitě, avšak výsledek vypadá jednoduše. Zkrátka a dobře by došlo k zesílení světla hvězdy ohybem o okraj stínítka. V takovém případě by navzdory užití clony šlo zastíněnou hvězdu jednoduše a velmi době vidět. Tím bychom si ovšem vůbec nepomohli a znovu bychom měli problém planet přezářených mateřskou hvězdou.

Test speciálního stínítka pro observatoře typu New World Mission, který proběhl v roce 2014. V popředí jasně vidíte trochu podivný vzhled ve tvaru okvětních lístků, jenž je pro tato stínítka typický.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Tuto obtíž lze nicméně poměrně snadno vyřešit právě podivným tvarem stínítka. Použijeme-li konstrukci, kde jsou na okraji clony tvary podobné okvětním lístkům, celý problém zmizí (eliminuje se difrakce), světlo hvězdy nevidíme a naopak můžeme pozorovat exoplanety. Využití této techniky by umožnilo pozorovat planety ve vzdálenosti až kolem 33 světelných let od Slunce. Oproti některým jiným známým planetám vzdáleným až desetitisíce světelných let to sice není mnoho, i tak se však očekává detekce několika stovek až tisíců planet.

Nejvýznamnější hvězdy ležící do vzdálenosti 50 světelných let od Slunce. Právě na blízké hvězdy by se měla New World Mission především zaměřit.
Zdroj: http://www.icc.dur.ac.uk/

To by dovolilo nejen výrazně rozšířit exoplanetární statistiku a detailně poznat naše bezprostřední okolí, ale i udělat si lepší obrázek o tom, jak vypadá celá Galaxie. Už dávno totiž známe pravidlo, často nazývané po Mikuláši Koperníkovi, Koperníkův princip, které nám říká, že naše místo ve vesmíru není nijak zvlášť výjimečné. Lze očekávat, že tak, jako vypadá okolí naší Sluneční soustavy, bude v průměru vypadat celá Galaxie, s určitými výjimkami samozřejmě. Nicméně pokud spatříme do vzdálenosti 33 světelných let určitý počet exoplanet, budeme moci extrapolací odhadnout celkový počet planet v celé Mléčné dráze.

New World Mission by mohla spolupracovat s vesmírným dalekohledem Jamese Webba či dalšími kosmickými teleskopy. Návrh počítá s hlavním teleskopem a stínítkem, které poletí asi 72 000 km před dalekohledem. Od Země pak bude sestava vzdálená asi 384 000 km. Clona ve tvaru slunečnice umožní zeslabit světlo ze vzdálených hvězd až 10 miliard krát. Díky tomu bude observatoř umět nejen planety detekovat, ale i provést celou řadu dalších užitečných měření. V zásadě lze říci, že by mělo pozorování proběhnout v pěti stádiích.

Umělecká představa observatoře sledující planety u vzdálené hvězdy díky odstínění světla jejich mateřské hvězdy.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

V první fázi dojde k objevu planety či planet. Následovat bude přesné zmapování systému, jako je určení oběžných drah těles a jejich základní charakteristika. Poté se teleskop zaměří na zjištění podrobnějších vlastností planet, především za použití spektroskopie a fotometrie. Spektroskopická měření dovolí stanovit chemické složení cílových objektů, fotometrie určí změny v barvě a intenzitě povrchu. V ideálním případě bychom mohli pozorovat oceány, kontinenty, oblačnost či polární čepičky. Ve čtvrtém stádiu proběhne důkladné zmapování velké části povrchu zkoumané planety, v závislosti na jejím sklonu dalekohled pořídí snímky 50 až 100 procent povrchu. Nakonec proběhne celkové zhodnocení daného objektu, především to, jaký typ exoplanety vidíme a zda je potenciálně vhodný k životu.

Celá sestava ve své finální rozložené podobě při pozorování. Vzdálenost mezi dalekohledem a stínítkem ovšem není ve správném poměru.
Zdroj: https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/

Hlavním cílem je sice napozorování co největšího počtu kamenných planet podobných Zemi, avšak vědce zajímají i plynní obři. Ale co více, New World Mission by dokonce mohla detekovat exoměsíce a exoprstence, tedy měsíce a prstence obíhající kolem exoplanet. Zda se ovšem mise uskuteční a v jaké konfiguraci to případně bude, ještě uvidíme. Diskutuje se třeba i o použití dvou nezávislých stínítek, přičemž jedno by sloužilo k aktuálnímu pozorování, zatímco druhé by přelétalo do pozice pro studium dalšího cíle. Ať už bude ale konečné řešení jakékoliv, mise disponuje výrazným potenciálem zásadně posunout naše chápání exoplanet.

Závěr

Kdy, v jaké podobě a zda vůbec se dnes popsané projekty podaří realizovat, zatím netuším. Křišťálovou kouli totiž bohužel nevlastním a ani netrpím sklony k jasnovidectví. Zájem ze strany vědců by rozhodně byl, celá věc ale naráží na obvyklý problém a tím je financování. Kosmické agentury mají bohužel dosti omezené zdroje, neboť pro politiky není výzkum vesmíru, alespoň prozatím, priorita. Ale snad se podaří aspoň některé z těchto misí dovést k vypuštění do kosmického prostoru. Tím můžeme téma navrhovaných observatoří opustit. V příštím dílu našeho miniseriálu se zaměříme na observatoře, které prošlapaly cestu ostatním a lze je proto označit za průkopnické.

Použité a doporučené zdroje

• Lynx Observatory: https://www.lynxobservatory.com/
• New World Mission (Colorado University): https://newworlds.colorado.edu/
• LUVOIR: https://www.luvoirtelescope.org/

Zdroje obrázků

• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e7/Starshade_Artist%27s_Concept_2_PIA20911.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/29/Voyager_spacecraft.jpg
• https://www.teslarati.com/wp-content/uploads/2022/04/Uranus-Orbiter-and-Probe-27.jpg
• https://i.pinimg.com/736x/e4/5c/81/e45c81c21455ca7b546b2d9de44d621d–all-about-space-uranus.jpg
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/weic2310c.jpg
• https://cfn-live-content-bucket-iop-org.s3.amazonaws.com/journals/2632-3338/2/5/184/revision1/psjabf654f6_lr.jpg?AWSAccessKeyId=AKIAYDKQL6LTV7YY2HIK&Expires=1689169986&Signature=h2FyKiLPwqfG2uYYD1on2FXrKRU%3D
• https://pbs.twimg.com/media/FQOZCi0XoAo4dHz.jpg
• https://civspace.jhuapl.edu/sites/default/files/styles/large/public/2021-05/neptune-background_1-aurora.jpg?itok=3AouIhWV
• https://cdn.esawebb.org/archives/images/screen/weic2214c.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2022/01/webb_wallpaper/23901371-1-eng-GB/Webb_wallpaper.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/aa/Comparison_of_LUVOIR-A_and_-B_primary_mirrors_with_Hubble_and_JWST.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/74/Rendering_of_LUVOIR-A_observatory%2C_2019.png/1920px-Rendering_of_LUVOIR-A_observatory%2C_2019.png
• https://www.teslarati.com/wp-content/uploads/2019/04/Starship-NASA-LUVOIR-B-space-telescope-render-April-2019-SpaceX-1.jpg
• https://pbs.twimg.com/media/EPEKTnVVUAAHCNH?format=jpg&name=large
• https://www.aei.mpg.de/782254/original-1651572960.jpg?t=eyJ3aWR0aCI6MTIwMCwiaGVpZ2h0IjpudWxsLCJmaXQiOm51bGwsIm9ial9pZCI6NzgyMjU0fQ%3D%3D–478dd0caf20bbd0b382f8b1a8f9712e2315f3d03
• https://www.ligo.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/30/large/ligo-livingston-aerial-02.jpg?1447107179
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2021/09/the_spectrum_of_gravitational_waves/23484065-1-eng-GB/The_spectrum_of_gravitational_waves.png
• https://www.semanticscholar.org/paper/Big-Bang-Observer-and-the-neutron-star-binary-Cutler-Harms/0dba0a407dda390992823233c374ce7f1e7485a2/figure/1
• https://media.springernature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1007%2Fs40042-021-00118-x/MediaObjects/40042_2021_118_Fig1_HTML.png
• https://www.researchgate.net/profile/Jan-Harms-3/publication/235468863/figure/fig1/AS:669090674921480@1536535056629/The-Big-Bang-Observer-BBO-consists-of-four-LISA-like-triangular-constellations-orbiting.png
• https://pweb.cfa.harvard.edu/sites/default/files/styles/max_650x650/public/2019-06/Lynx-Telescope.jpg?itok=H8mLW1qY
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/77/Comparaison-OST-LUVOIR-HabEX-et-Lynx-fr.png/1280px-Comparaison-OST-LUVOIR-HabEX-et-Lynx-fr.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/99/Lynx_X-ray_Observatory_Capabilities_in_Context.png
• https://www.researchgate.net/publication/327904228/figure/fig11/AS:675312857776128@1538018540032/Figure-E-2-Lynx-X-ray-Telescope-configuration-Lynx-has-a-10-m-focal-length-and-consists.jpg
• https://www.uah.edu/images/news/Lynx.jpg
• https://images.squarespace-cdn.com/content/v1/5ac66a1e1137a6a9d6412267/1569953800766-7ZI94XKS5GM41CNDD1O1/lynx_pillars.png?format=1500w
• https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/08/STSCI-J-p2022-HIP65426b-f-1528×1130-1.png
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/GC9vWaaE8n3dUFfoSgegaB-1200-80.jpg
• https://i.ytimg.com/vi/XilfCObZLyY/hqdefault.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e7/Starshade_Deployed_at_JPL_2014_PIA20909.jpg
• http://www.icc.dur.ac.uk/~tt/Lectures/Galaxies/LocalGroup/Back/50lys.gif
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/25/Artist%27s_concept_of_the_New_Worlds_Observatory.jpg
• https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/original_images/imagesstarshade20190611starshade-16.jpg