V minulém dílu našeho letního seriálu jsme si představili nejzajímavější objevy lovce extrasolárních planet, americké sondy Kepler. Dnes se z USA přesuneme do Evropy a z blízkého vesmíru naopak do vzdálenějšího. Představíme si totiž některé důležité objevy sondy Planck, která působila v kosmickém prostoru v letech 2009 – 2013. O sondě Planck jsme na našem webu mluvili již nesčetněkrát, v poslední době třeba v souvislosti s tím, co nám říká o tvaru a velikosti vesmíru či o záhadné chladné skvrně. Objevů stojících za touto významnou observatoří je však podstatně více. Některé si tedy dnes popíšeme.

5) Rozložení prachu v Mléčné dráze

Možná si ještě pamatujete na tu senzaci, kdy byly zveřejněny výsledky z experimentu BICEP2, kdy se zdálo, že se podařilo zachytit B mód polarizace reliktního záření. Toto záření může být podobně jako každé jiné elektromagnetické záření polarizováno, přičemž rozeznáváme dva módy, E a B mód. E mód, jež byl pozorován už dříve, není pro kosmologii zas tolik významný, naproti tomu B mód by měl vznikat díky reliktním gravitačním vlnám, které se uvolnily na samém počátku vesmíru, v období inflace, kdy došlo k prudkému rozepnutí kosmu všemi směry. Jinými slovy, nalezení B módu polarizace by znamenalo 1. potvrzení existence (byť nepřímo) reliktních gravitačních vln a 2. potvrzení správnosti inflačního kosmologického modelu.

Ale zatímco se už uvažovalo o Nobelově ceně pro teoretiky stojící za inflačním scénářem a vědci si slibovali nahlédnutí do prvotních okamžiků kosmu, ukázalo se, že je celá věc trochu složitější. Bohužel se totiž zjistilo, že experiment BICEP2 využívající radioteleskop na jižním zemském pólu zřejmě nepozoroval polarizaci způsobenou kosmologickými efekty, ale vliv prachu v Mléčné dráze. Tento výsledek poté potvrdila i sonda Planck, jež nedokázala najít žádný efekt způsobený reliktními gravitačními vlnami. Na potvrzení (či vyvrácení) inflačního modelu si budeme muset ještě chvíli počkat. Naopak ohledně kosmického prachu a jeho rozložení udělal Planck klíčovou práci. Právě prach je v určité části spektra nejsilnějším Planckem zaznamenaným signálem.

Jak se od jednotlivých atomů či častěji spíše větších částeček prachu odráží světlo, může dojít k jeho polarizaci. A polarizované světlo dokáže sonda Planck zachytit. Vědci z týmu sondy tak mohli zveřejnit mapu rozložení prachu v Galaxii a navíc tento signál odlišit od možného signálu kosmologického původu. Zde se ukázalo, že Planck žádný signál B módu ze vzdálenějšího kosmu nedetekuje. Při odlišení obou složek nás čeká ještě hodně práce. Planck ale navíc dokázal změřit i rozložení nejmenších mikroskopických prachových částic plujících v mezihvězdném prostoru. Ty nejsou statické, ale pohybují se v důsledku srážek s atomy a molekulami. Při tom dochází k emisi charakteristického světla, jež Planck dokázal detekovat.

4) Rozložení oxidu uhelnatého v Mléčné dráze

Kdo by neznal oxid uhelnatý. Zájemci o cyklistiku se s ním pravděpodobně setkali jen před pár týdny. Objevily se totiž informace, že dva nejlepší cyklisté současnosti, Slovinec Tadej Pogačar a Dán Jonas Vingegaard si pomáhají terapií, která právě s oxidem uhelnatým operuje. Jde o to, že řízeně a kontrolovaně tento plyn inhalují, což podle některých studií vede ke zvyšování výkonu při tréninku a především závodech. Lidé se tak nyní dohadují, zda jde o doping či nikoliv. Tento plyn, který je nedráždivý a současně bez chuti a zápachu však můžete znát i z mnohem temnějších skutečností. Oxid uhelnatý je totiž jedovatý a čas od času dojde k otravě tímto plynem. Jednou ze slavných obětí je například zpěvák a skladatel Jiří Šlitr.

Tento plyn je však přítomen i v atmosféře, kde vzniká fotolýzou oxidu uhličitého ultrafialovým zářením nebo jako zplodina z topenišť, automobilů či průmyslových areálů. Obsažen je i v sopečných plynech uvolňovaných při vulkanické aktivitě. A co více, oxid uhelnatý nalezneme i v kosmickém prostoru. Vyskytuje se například v atmosféře Marsu, v atmosféře Venuše i na velkém Neptunově měsíci Triton. Zjištěn byl také na celé řadě komet, včetně té nejslavnější Halleyovy. Nás teď však nejvíce zajímá, že je oxid uhelnatý přítomen i v mezihvězdném prostoru Mléčné dráhy. Poprvé byl detekován radioteleskopy v roce 1970. Nyní se pozoruje již poměrně běžně a to jako součást molekulárních mračen.

Ta jsou tvořena hlavně molekulárním vodíkem, v menší míře však i jinými molekulami, z nichž nejčastější je oxid uhelnatý. A protože je molekulární vodík vcelku těžké pozorovat, zatímco se oxid uhelnatý projevuje ve spektru velmi výrazně, často se právě on užívá k potvrzení přítomnosti molekulárních mračen. Sonda Planck provedla důkladné zmapování oxidu uhelnatého v Mléčné dráze. To nám prozradí, kde se v naší Galaxii nacházejí oblaka plynu a prachu, což je důležité pro pochopení našeho původu. V těchto mračnech se totiž tvoří nové hvězdy. Oxid uhelnatý byl sice pozorován n obloze již dříve, avšak až Planck provedl celkové měření na celé ploše hvězdného nebe, odhalil tak i dříve neznámé struktury a mnohá dřívější měření výrazně upřesnil.

3) Sunjajevovy-Zeldovičovy objekty

Kvantová mechanika je nejpokročilejší fyzikální teorií a dodnes ji po právu bereme jako základní teorii přírody. Našla své uplatnění v široké škále vědních oborů, ale i v praktickém životě. Vždyť téměř všechna moderní zařízení, jež kolem sebe máme stojí právě na této teorii. Za poslední století jsme už objevili celou řadu kvantových efektů. Jeden ze základních byl nalezen ve 20. letech Arthurem Comptonem. Jde o Comptonův rozptyl, kdy se fotony elektromagnetického záření rozptylují na nabitých částicích, obvykle elektronech. Fotony při tom předávají část své energie atomům. Může však nastat i situace opačná, kdy nabitá částice fotonu naopak předává část své energie, takže se energie fotonu po rozptylu zvýší.

To nazýváme inverzním Comptonovým jevem. Tento efekt má značný význam v kosmologii, konkrétně u reliktního záření. Fotony z konce Velkého třesku totiž nelétají vesmírem jen tak nerušeně, ale mohou interagovat s ostatními objekty v kosmu. Sovětští fyzikové Rašid Sunjajev a Jakov Zeldovič zjistili, že se mohou vzájemně ovlivňovat nízkoenergetické fotony reliktního záření s vysokoenergetickými elektrony v kupách galaxií. Fotony reliktního záření totiž při průchodu horkým mezigalaktickým plynem kupy získávají při srážkách s elektrony dodatečnou energii, což lze spektroskopicky pozorovat. Díky tomu je možné detekovat husté, masivní a velmi vzdálené kupy galaxií. Efekt byl poprvé detekován roku 1984, později jej pozorovala i sonda COBE.

Avšak teprve Planck umožnil plné využití potenciálu Sunjajevova-Zeldovičova jevu. Tato sonda dokázala identifikovat hned 1 227 objektů u kterých se našlo zjasnění mikrovlnného signálu způsobené výše popsaným efektem při průchodu vzdálenou kupou. Tehdy dojde k drobnému, ale charakteristickému navýšení teploty reliktního záření. Když dokážeme v rentgenovém spektru detekovat ve stejném místě i signál horkých elektronů, je jasno. A to se v mnoha případech skutečně stalo. Planck tak stojí za objevem některých velmi vzdálených kup s vysokým rudým posuvem, jež patří mezi vůbec nejvzdálenější známé kupy galaxií. Navíc má na kontě i celou řadu kandidátských objektů čekajících na potvrzení. K dispozici je i celooblohová mapa SZ objektů.

2) Rozložení temné hmoty ve vesmíru

Už na začátku minulého století ze začaly objevovat náznaky, že viditelná hmota nedokáže vysvětlit všechny aspekty astronomických pozorování celé řady různých objektů. A skutečně. Ve 30. letech zjistil Fritz Zwicky, ale i další, že kdyby byla ve vesmíru přítomna jen běžná atomární hmota, nemohly by velké struktury, jakou jsou kupy galaxií existovat. Běžná atomární hmota by je totiž nedokázala udržet pohromadě, takže by se poměrně brzy rozpadly. V 70. letech navíc Vera Rubin s kolegy zjistila, že se to netýká jen kup galaxií a větších struktur. Problém je už na úrovni samotných jednotlivých galaxií. Kdybychom měli pouze běžnou hmotu, chovaly by se galaxie úplně jinak, především by se zcela lišila jejich rychlost rotace.

Dnes už tedy víme, že tato záhadná hmota, které se běžně říká temná či někdy přesněji, avšak méně často skrytá, existuje a je jí ve vesmíru několikanásobně více oproti hmotě běžné. Až na několik vcelku okrajových názorů o této skutečnosti nikdo vážně nepochybuje. Důkazy, například z pozorování některých srážejících se kup galaxií, totiž hovoří jasnou řečí. Pozorování nelze bez přítomnosti temné hmoty vysvětlit. Čím je však tato hmota tvořena? To dosud bohužel nevíme. Objevily se nápady, že by mohlo jít o nějaké makroskopické obtížně pozorovatelné objekty. Dnes se však mnohem více přikláníme k možnosti, že by mělo jít o nějaký druh elementárních částic. Avšak i přes dlouhodobé pátrání mnoha experimentů jsme je zatím nedokázali identifikovat.

Co však už dokážeme spolehlivě je mapovat rozložení temné hmoty ve vesmíru. Umíme to jednotlivě v malém měřítko pomocí gravitačního čočkování, či pomocí numerických simulací, které ukazují velkorozměrovou strukturu kosmu jako je Illustris. Velkou práci na tomto poli má však i sonda Planck, která pořídila celooblohovou mapu rozložení temné hmoty v celém prostoru a v průběhu kompletní historie našeho kosmu. Snímek byl pořízen díky měření fotonů reliktního záření, na které drobně působily velkorozměrové struktury ve vesmíru a drobně deformovaly jejich trajektorie. Díky tomuto výsledku mohou kosmologové velmi dobře prozkoumat to, jak se v průběhu kosmického času rodily a vyvíjely velkorozměrové struktury v našem kosmu.

1) Kosmologické parametry vesmíru

O našem vesmíru jsme za posledních několik desetiletí zjistili spoustu informací. Nicméně historie těchto objevů byl složitá a bolestivá. Ještě před zhruba stoletím jsme neměli o kosmologických parametrech vesmíru v podstatě ani mlhavou představu, ba dokonce si někteří mysleli, že naše Galaxie Mléčná dráha se rovná celý vesmír. Přední astronomové 20. a 30. let 20. století, zejména Edwin Hubble a Milton Humason však byli, díky využití objevů Henrietty Swan-Leavitt prokázat, že existují i cizí galaxie a náš vesmír je tudíž mnohem větší a navíc se rozpíná. Dokonce určili i rychlost této expanze, byť tehdy ještě dost nepřesně. V průběhu následujících let další astronomové dokázali díky novým objevům určit mnohé vlastnosti vesmíru přesněji.

Nicméně pravá revoluce přišla až díky kosmickým observatořím. V polovině 60. let sice Penzias a Wilson objevili pozemní anténou reliktní záření, avšak věděli jsme, že pokud chceme zjistit o tomto záření a díky němu i o vesmíru více, musíme se spolehnout na kosmické družice. První vydláždila cestu COBE, následovala WMAP, v obou případech jde o americké observatoře. COBE zjistila základní parametry reliktního záření, WMAP z nich už dokázala vydolovat první užitečné informace o našem kosmu. V roce 2009 však začala pracovat sonda Planck, jejíž rozlišení bylo podstatně lepší než u WMAP, natožpak COBE. A teprve tato sonda nám dovolila detailně změřit základní kosmologické parametry. Co zjistila?

Stáří vesmíru je zhruba 13,8 miliardy let, přičemž reliktní záření se od látky oddělilo v době, kdy byl vesmír starý 380 000 let. To je zároveň nejvzdálenější signál zachytitelný elektromagneticky. Zjištěný rudý posuv reliktního záření je 1090. Pro výzkum dávnějších období už je třeba zvolit jiné metody. Běžné hmoty složené z atomů je v kosmu podle Plancku asi 5 %, temné hmoty 26 %, čili na temnou energii logicky připadá zbylých 69 %. Jaká je přesně podstat těchto dvou záhadných složek kosmu nyní nevíme, tato výzva čeká na budoucí generace vědců a observatoří. Hubbleův parametr je potom si 68 km/s/Mpc. Tyto hodnoty jsou poněkud přesnější než u WMAP, v zásadě se však se starší observatoří dobře shodují, což ukazuje, že postupujeme správným směrem.

Závěr

V příštím dílu našeho seriálu TOP 5 se podíváme na sondy Voyager. Říkal jsem sice, že se budeme zabývat již jen neaktivními observatořemi a sondami, snad ale uznáte, že v případě sond Voyager, kde už je většina systémů vypnutá kvůli úspoře energie můžeme udělat výjimku. Přestože jsou aktivní, můžeme je pro naše účely považovat za již de facto neaktivní.

Použité a doporučené zdroje

• Planck ESA: https://www.esa.int/Science_Exploration/Space_Science/Planck
• Planck NASA: https://www.nasa.gov/mission_pages/planck

Zdroje obrázků

• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/9EGejjZqP2gwzV7PE7eTF5.jpg
• https://planck.ipac.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/28/page/planck15-002f.jpg?1423156108
• https://planck.ipac.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/29/page/planck15-002g.jpg?1423156353
• https://plancksatellite.org.uk/wp-content/uploads/sites/2/2020/05/Planck_CO.jpg
• https://www.aldebaran.cz/bulletin/2013_41/sz_objects.png
• https://www.aldebaran.cz/bulletin/2015_07/sz_notext.jpg
• https://cdn.sci.esa.int/documents/34222/35279/1567217422758-Planck_all_sky_dark_matter_distribution_625.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2013/03/planck_cmb/12583930-4-eng-GB/Planck_CMB.jpg