Obecná relativita brzy oslaví 110 let od svého vzniku. Přestože se taková doba může zdát velmi vzdálená, jde o stále platnou teorii gravitace. Už od prvních let od publikace probíhá testování obecné relativity, které se v posledních letech velmi zintenzivnilo. V poslední době se podařilo uskutečnit celou řadu testů této krásné a úspěšné teorie a obecná relativita zatím pokaždé jasně triumfovala. O jednom takovém testu jsme tu hovořili nedávno, dnes si probereme jiný test provedený za pomoci Hubbleova kosmického dalekohledu.

Gravitační čočkování

Princip ohybu světla v gravitačním poli hmotného objektu, v tomto případě Slunce. Pro hvězdy blízko Slunce je ohyb největší (nahoře), pro vzálenější hvězdy je efekt menší (uprostřed) a pro vzdálené hvězdy jej můžeme zanedbat (dole).
Zdroj: https://miro.medium.com/

Po publikaci nové teorie v roce 1915 se velmi brzy objevila celá řada různých řešení a návrhů s teorií souvisejících. Sám Albert Einstein navrhl jako jeden z testů své nové teorie tzv. gravitační ohyb světla. V gravitačním poli hmotných těles by mělo dojít k ohybu světelných paprsků. V důsledku toho bychom pak měli vidět zdroj světla kousek posunutý oproti jeho reálné poloze. Při běžných událostech je tento jev poměrně slabý, přesto měřitelný. Bylo ale třeba počkat na zatmění Slunce, kdy bylo možné pozorovat vzdálené hvězdy v blízkosti Slunce. Efekt skutečně pozorovaly v roce 1919 dva týmy britských astronomů a Einstein se díky tomu stal velmi slavným.

Názorný obrázek ukazuje princip gravitačního čočkování. Masivní kupa galaxií ležící mezi Zemí a vzdálenou galaxií ohýbá a zjasňuje světlo vzdálené galaxie či kvasaru.
Zdroj: https://www.roe.ac.uk/

S gravitačním ohybem světla velmi úzce souvisí obecnější jev gravitačního čočkování. Název není náhodný, neboť gravitační čočka skutečně svými vlastnostmi připomíná běžně známou čočku optickou. Efekt nastává tehdy, když vzdálený objekt přechází z našeho pohledu přímo za bližším tělesem s intenzivním gravitačním polem. Bližší objekt potom zakřivuje paprsky světla nebo i jiného elektromagnetického záření a chová se tak jako čočka.

Paprsky procházející intenzivním gravitačním polem jsou zesilovány a také ohýbány, takže vznikají různé složité obrazce, jejich typickými zástupci jsou třeba Einsteinův prstenec (obraz čočkovaného objektu se poskládá do dokonalého prstence) nebo Einsteinův kříž (obraz konkrétního vzdáleného kvasaru, který se promítá ve čtyřech kopiích do tvaru kříže). Vícenásobné obrazy téhož objektu jsou obecně pro gravitační čočky typické.

Zhruba uprostřed obrázku, kousek od naoranžovělé galaxie vidíte dva jasné namodralé objekty připomínající hvězdu. Nejde ovšem o skutečné hvězdy, nýbrž o kvasar. Původně se mělo za to, že jsou to dva objekty. Brzy se ale zjistilo, že jde o dva obrazy téhož objektu, kvasaru Q0957+561. Jde o vůbec první zaznamenanou gravitační čočku. Tento snímek je z Hubbleova dalekohledu.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Historie gravitačního čočkování sahá až do roku 1912, kdy o nich uvažoval sám Einstein, avšak domníval se, že efekt sice existuje, nicméně je natolik slabý, že se v dohledné době nebude dát naměřit. Myšlenku vzkřísil roku 1924 sovětský fyzik Orest Chvolson, ale větší pozornosti se jí dostalo až ve 30. letech. Tehdy se stejnou ideou přišli Čechoslováci Rudi Mandl a František Link, hlavně však legenda světové astronomie, americko – švýcarský vědec Fritz Zwicky, který určil, že efekt může být měřitelný velmi dobře. Přesto byla první gravitační čočka pozorována až v roce 1979.

Typy gravitačního čočkování

Ukázka principu gravitačního čočkování a znázornění toho, že tímto postupem můžeme mapovat temnou hmotu.
Zdroj: https://www.naturalhistorymag.com/

Dnes již gravitační čočky pozorujeme poměrně běžně, jak dokládají i výsledky z Webbova vesmírného dalekohledu, kdy se gravitační čočky již několikrát objevily. V dnešní fyzice má gravitační čočkování své nezastupitelné místo, neboť má široké uplatnění v astronomii. Používá se při sledování extrémně vzdálených objektů, mapování temné hmoty, hledání exoplanet atd. Navíc se jedná o jeden z nejlépe prozkoumaných relativistických jevů, který také nabízí skvělý důkaz ve prospěch obecné relativity.

Slabé (vlevo) a silné (vpravo) gravitační čočkování.
Zdroj: https://frontierfields.files.wordpress.com/

Gravitační čočky obvykle rozlišujeme na tři základní typy – silné čočky, slabé čočky a mikročočky. Nejčastěji se určitě setkáváme se silnými čočkami. Jde o případy, kdy je zkreslení obrazu velké. Zdroj světla i čočka jsou obvykle vzdáleny miliardy či alespoň stovky milionů světelných let. Současně lze říci, že gravitační čočka je v tomto případě nějaký extrémně hmotný objekt se silným gravitačním pole jako jsou kupy galaxií, či obří galaxie. Všechny spektakulární fotografie gravitačních čoček jsou právě příkladem silných čoček.

Druhým typem jsou slabé čočky. Zde už je zkreslení obrazu menší a nelze jej téměř nikdy detekovat u jediného zdroje, ale jen statisticky z pozorování více zdrojů. Gravitační čočkou jsou v tomto případě často jednotlivé galaxie. Tento typ gravitačních čoček je dosti náchylný na systematické chyby, ale může být velmi užitečný pro mapování temné hmoty, sledování temné energie či odhad kosmologických parametrů.

Princip gravitačního mikročočkování. Tímto způsobem lze například objevovat exoplanety.
Zdroj: https://media.nature.com/

Dnes se ale bude zabývat jen třetím typem, tedy mikročočkami. Jde o případy, kdy už zkreslení obrazu není patrné vůbec. Jsme však schopni detekovat změnu v množství přijímaného světla. Jako gravitační čočky v tomto případě obvykle slouží hvězdy naší Galaxie, které čočkují vzdálenější objekty. V extrémním případě dochází i k tomu, že hvězda z nějaké vzdálené galaxie čočkuje jinou mnohem vzdálenější hvězdu. Přesně touto technikou astronomové detekovali nejvzdálenější známé hvězdy ve vesmíru. Mikročokování se používá také jako úspěšný způsob hledání vzdálených exoplanet.

Hubble a Gaia – ideální kosmická spolupráce

LAWD 37 na snímku Hubbleova teleskopu.
Zdroj: https://cdn.spacetelescope.org/

Právě efektu gravitačního mikročočkování nedávno využili astronomové pod vedením odborníků z univerzity v Cambridge. Zaměřili se na blízkého bílého trpaslíka LAWD 37. Bilý trpaslík je hvězda, která už, vulgárně řečeno, přešla z dospělosti do penze. Jde o pozůstatky méně hmotných hvězd hlavní posloupnosti, které již spotřebovaly své jaderné palivo a prošly fází rudého obra, kdy se výrazně nafoukly. Rudý obr odhodil většinu vrstev a zbyla hvězda o velikosti srovnatelné se Zemí, proto se jim říká bílí trpaslíci. Tento konkrétní je vzdálen 15 světelných let ve směru souhvězdí Mouchy a je starý asi 1,15 miliardy let.

Družice Gaia
Zdroj: https://www.esa.int/

Protože je LAWD 37 jedním z nejbližších bílých trpaslíků, astronomové jej dlouhodobě velmi detailně studují. K tomu používají celou řadu přístrojů, mimo jiné i evropskou družici Gaia zaměřenou na astrometrii, tedy měření pozic a pohybů nebeských objektů. Gaia, která tvoří detailní mapu Mléčné dráhy s miliardami hvězd, je pro tyto účely přímo ideální.

Přestože vědci o LAWD 37 věděli spoustu zásadního, protože mohli provádět spektroskopická měření, až dosud jim chyběla informace o hmotnosti bílého trpaslíka LAWD 37. Hmotnost se vcelku snadno určuje u binárních systémů, ale u jednotlivě se vyskytujících objektů je její stanovení obtížné. Protože se ale hmotnost samostatných objektů dobře měří skrze gravitační čočky, napadlo astronomy, že by mohli aplikovat měření z družice Gaia a podívat se, zda se v dohledné době LAWD 37 dostane do vhodné pozice pro využití mikročočkování.

Obrázek hezky ukazuje, jak se bílý trpaslík LAWD 37 (označen modrým kolečkem) přibližuje k hvězdě v pozadí (označena červeným kolečkem). Levý obrázek z roku 1998, pravý z roku 2016. Modrá šipka ukazuje směr pohybu a rámeček nahoře pak okamžik největšího přiblížení.
Zdroj: https://astrobites.org/

Data z družice Gaia tedy použili k předpovědi pohybů bílého trpaslíka a ke svému potěšení zjistili, že se LAWD 37 brzy přiblíží k jedné vzdálené hvězdě dostatečně na to, aby bylo možné využít efektu mikročočky. Proto mohli získat pozorovací čas na proslulém Hubbleově kosmickém dalekohledu. Pak už jen stačilo v listopadu 2019 nasměrovat teleskop do cílové oblasti a trpělivě čekat na výsledky.

Objev Hubbleova teleskopu

Měření bílého trpaslíka Stein 2051 b, který se nachází v binárním systému s hvězdou hlavní posloupnosti.
Zdroj: https://cdn.spacetelescope.org/

A měření se skutečně podařilo, výsledky hovoří samy za sebe. Astronomický tým skutečně dokázal gravitační mikročočku u LAWD 37 zaznamenat. Už dříve se sice podařilo zachytit mikročočku u bílého trpaslíka Stein 2051 b, ale ten se nachází v binárním systému s červeným trpaslíkem. Toto je první zachycený případ mikročočky u samostatného bílého trpaslíka.

Navíc se povedlo dosti přesně změřit hmotnost této hvězdy, jež činí 0,56 hmotnosti Slunce, což je plně v souladu s dřívějšími teoretickými předpoklady a s modely vývoje bílých trpaslíků. Poprvé se také podařilo testovat vztah mezi poloměrem a hmotností bílého trpaslíka.

Bílý trpaslík prochází před jasnější hvězdou v pozadí.
Zdroj: https://www.universetoday.com/

Také jsme dostali unikátní možnost probádat vlastnosti hmoty v extrémních podmínkách bílého trpaslíka. V těchto objektech totiž není běžná hmota, ale tzv. elektronový degenerovaný plyn, který brání dalšímu kolapsu na neutronovou hvězdu či černou díru. Studium bílých trpaslíků je velmi důležité pro pochopení vývoje hvězd, tím spíše, že i naše Slunce se na několik miliard let změní na bílého trpaslíka. My (lidstvo) se toho sice zřejmě nedožijeme, ale i tak jde o zásadní znalost.

Test obecné relativity

Obrázek z Hubbleova teleskopu. Jasná hvězda zhruba uprostřed snímku je bílý trpaslík LAWD 37. Ve výřezu vidíme modrou vlnitou křivku, která ukazuje pohyb bílého trpaslíka při pohledu ze Země. A vlevo nahoře od bílého trpaslíka také vzdálenější hvězdu hlavní posloupnosti, před níž bílý trpaslík přecházel.
Zdroj: https://cdn.sci.news/

Ale nešlo o významný milník jen pro astronomy zkoumající obecnou relativitu. Gravitační mikročočky u bílých trpaslíků neměříme příliš často, znamenalo to tak i možnost znovu detailně otestovat předpovědi Einsteinovy teorie. Zřejmě vás příliš nepřekvapí, že obecná relativita znovu triumfovala. V perfektním souladu s teorií byla jak změna intenzity přicházejícího světla v důsledku mikročočky, tak ohyb světla v blízkosti čočkujícího bílého trpaslíka. Jinými slovy vzdálená hvězda dočasně změnila svou zdánlivou pozici na obloze přesně v souladu s teoretickou předpovědí.

Není bez zajímavosti, že se měření skupině astronomů povedlo téměř přesně 100 let od chvíle, kdy britští astronomové pod vedení Franka Dysona, Arthura Eddingtona a Andrewa Crommelina změřili poprvé ohyb světla vzdálených hvězd v gravitačním poli Slunce. Povedlo se jim to při zatmění Slunce v květnu 1919 a pozorovací stanoviště měli v brazilském Sobralu a na Princově ostrově u pobřeží Afriky. Je neuvěřitelné, kam možnosti astronomie za století pokročily. Dnes již tedy umíme stejný efekt detekovat i u hvězd mimo Sluneční soustavu vzdálených několik světelných let.

Podobný obrázek ještě jednou. Vpravo ale vidíme celou řadu rámečků, které ukazují pozici bílého trpaslíka (zvýrazněný červený čtvereček) i vzdálenější hvězdy (modré kolečko) v různých fázích roků 2019 a 2020.
Zdroj: https://stsci-opo.org/

Mimochodem, v tomto případě bylo pro astronomy poměrně velkou výzvou odlišit skutečný signál od šumu. Světlo vzdálené hvězdy v pozadí bylo totiž dosti slabé, navíc podobných událostí jsme v minulosti viděli jen několik, takže se příliš nemohli spoléhat na minulé zkušenosti. Z toho důvodu nebylo vůbec snadné gravitační mikročočku detekovat. Signál byl v tomto případě 625 krát slabší, než signál, který v roce 1919 zachytila při zatmění Slunce britská skupina.

Závěr

Nový výzkum provedený ve spolupráci teleskopů Hubble a Gaia otevírá úplně nové možnosti pro budoucí astronomická pozorování. Vzhledem ke schopnosti družice Gaia měřit přesně pohyby hvězd si lze snadno představit, že by se v blízké době mohl osvědčený scénář opakovat. Odborníci již nyní uvažují o dalších podobných případech, kdy by Gaia mohla předpovědět nějaký zákryt či přiblížení dvou objektů a jiné teleskopy by pak mohly danou událost sledovat. V dalších letech lze proto očekávat měření dalších gravitačních mikročoček, které nám pomohou odhalit mnohá tajemství různých typů hvězd i jiných objektů.

Použité a doporučené zdroje

• Hubble NASA: https://science.nasa.gov/mission/hubble/
• Hubble ESA: https://esahubble.org/
• Hubble Site: https://hubblesite.org/home
• Gaia ESA: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Gaia

Zdroje obrázků

• https://scitechdaily.com/images/Hubble-Space-Telescope-in-Orbit-1-scaled.jpg
• https://miro.medium.com/v2/format:jpg/resize:fit:1200/1*9Ah5tIY-CKIvqd94qL6Kkg.gif
• https://www.roe.ac.uk/~heymans/website_images/Gravitational-lensing-galaxyApril12_2010-1024×768.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9d/QSO_B0957%2B0561.jpg
• https://www.naturalhistorymag.com/htmlsite/0907/images/0907feature2.jpg
• https://frontierfields.files.wordpress.com/2014/11/weakvsstrongmicrolensing.jpg
• https://media.nature.com/lw1024/magazine-assets/d41586-018-07006-8/d41586-018-07006-8_16198102.jpg
• https://cdn.spacetelescope.org/archives/images/screen/heic2301a.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2013/12/gaia_mapping_the_stars_of_the_milky_way/13461326-3-eng-GB/Gaia_mapping_the_stars_of_the_Milky_Way.jpg
• https://astrobites.org/wp-content/uploads/2018/04/20180428_Figure_3-1024×509.png
• https://cdn.spacetelescope.org/archives/images/thumb700x/potw1724b.jpg
• https://www.universetoday.com/wp-content/uploads/2017/06/superblue-580×290.gif
• https://cdn.sci.news/images/enlarge10/image_11620e-LAWD-37.jpg
• https://stsci-opo.org/STScI-01GQQSGQM185XV6DHY3HQ85NET.png