24. duben je dnem výročí vypuštění Hubbleova dalekohledu. Pár dní předtím jsem přemýšlel, jak ho společně „oslavit“. Všichni znáte stovky jím pořízených úžasných fotek. Udělat z nich zde bohatou galerii by sice šlo, ale spíš jsem se pokusil v krátkosti popsat události, které někdy ne úplně všichni znají, jsou však spojeny s existencí tohoto úžasného přístroje. Snad vás neotrávím psaným slovem. Článek by možná mohl být inspirací pro ty, které dané téma zaujme a nasměruje při hlubším hledání detailů a souvislostí – celá tematika je totiž bohužel tak obsáhlá, že by vydala na desítky knih a zdaleka překračuje mé (nejen časové) možnosti a schopnosti.

Začnu příběhem, který možná některé z vás překvapí, ale není jen historickou předzvěstí jedné z největších intelektuálních revolucí v dějinách lidstva. Odehrál se totiž bez dvou dnů přesně 70 let před vypuštěním Hubbleova vesmírného dalekohledu…

Velká debata

V pondělí 26. dubna roku 1920 proběhlo výroční zasedání Národní akademie věd USA ve Washingtonu a nešlo o nic menšího než o určení měřítek celého tehdy známého vesmíru. Počátek 20. století by se dal pro astronomickou obec charakterizovat problémem hledání tvaru a velikosti naší Galaxie a polohy našeho hvězdného systému v ní.
Proto se rozhodl George Hale – zakladatel a ředitel největší tehdejší hvězdárny světa Mount Wilson – koncem roku 1919 ustanovit toto ryze astronomické téma jako klíčové na příštím Národním zasedání akedemie věd.
Po několika měsících příprav bylo jasné, že hlavními mluvčími budou dva astronomové s protichůdnými názory. Prvním z nich byl Heber Curtis z Lickovy observatoře, druhým mladý talentovaný astronom Harlow Shapley z observatoře Mt. Wilson. Toto setkání vešlo do historie pod názvem Velká debata – The Great Debate.

Oba astronomové přistupovali k určení velikosti Galaxie a naší polohy v ní odlišným způsobem. Curtis byl pokračovatelem práce nizozemského astronoma Jacoba Kapteyna. Ten zvolil metodu prostého sčítání hvězd ve zvolených částech oblohy, ze které mu vyšlo, že má naše Galaxie tvar zploštělého disku, zhruba 40 000 světelných let v průměru a že se naše Slunce nachází kdesi ve středu tohoto disku. Shapley zvolil metodu sledování kulových
hvězdokup, které považoval za jakousi „kostru“ naší Galaxie, a povšiml si zajímavé věci – vždy v létě, když je na obloze souhvězdí Střelce, narůstá – na rozdíl od zimních pozorování – četnost pozorování těchto hvězdokup. Z toho odvodil (také nesprávnou) velikost naší Galaxie na 300 000 světelných let, ale polohu našeho slunečního systému už umístil kamsi na periférii mléčné dráhy. Velká debata zůstala dlouho bez vítěze, akademická obec zůstávala rozdělena. Kapteyn
umírá v r. 1922 v přesvědčení, že jeho model je správný, ale v roce 1927 jeho krajan Jan Oort odhaluje rotaci Galaxie a zjišťuje, že se Slunce opravdu nalézá daleko od galaktického středu…

Pomalu, ale jistě se schyluje k jednomu ze stěžejních obratů nejen astronomie, ale i filosofie a lidského bádání vůbec. Teoretická fyzika už svého krále má. Velice zjednodušeně řečeno – jen pomocí svých myšlenkových experimentů a na nich aplikované matematiky, která je tak komplikovaná a novátorská, že za pomocí
svých lépe matematických nadaných spolupracovníků a přátel, je schopen radikálním způsobem změnit naše
vnímání vesmíru a poprvé po 230 letech sesadit z trůnu velkého „hodináře“ Newtona. Vesmír už není dokonale načasovaný strojek, tikající beze změny. Je to neuvěřitelně dynamicky se měnící kontinuum, kde se vzájemně ovlivňují prostor a čas, hmota má některé vlastnosti záření a naopak a kde množství hmoty diktuje prostoru, jak se má zakřivovat a prostor hmotě, jak se má pohybovat. Ale i pro něj je příliš divoká představa vesmíru, který se (ač to vlastně jeho rovnice napovídají) buď smršťuje, nebo expanduje – jen zkrátka nemůže být statický. Představa něčeho tak obrovského a neměnného, jako je vesmír, byla příliš dlouho zakořeněna i v těch největších intelektuálních mozcích. Bohužel už tu není
prostor pro pár osobností, jež si už tenkrát byly schopni představit expandující vesmír, který by mohl (ale nemusel) byt v počátku menší než atom, jako třeba belgický kněz, astronom a profesor fyziky Georges Lemaître, jehož role byla tak zásadní, že bych mu rád v budoucnu věnoval samostatný článek.
A už bych asi i odbíhal. Chtělo to zkrátka revoluci v pozorování, nejen v teoretické fyzice. A tady se běh různých věcí šťastně potkal. Na Mount Wilsonu pořizovali nový, revoluční 152 centimetrový dalekohled a na scénu přichází excentrický elegán s dýmkou.

Pan Edwin Powell Hubble

Edwin Powell Hubble se narodil 20. 11. 1889 v Marshfieldu (st. Missouri, USA), jako třetí dítě z osmi. Když mu bylo 9 let, rodina se přestěhovala do Chicaga. Vynikal ve sportu, hrál na mandolínu, hodně četl. V šestnácti letech začal studovat na tamní univerzitě, kde potkal některé přední fyziky, jež prohloubili jeho zájem o tento obor. V r. 1910 dostává – coby vzorný student a vynikající sportovec – stipendium na Oxfordskou univerzitu, kde se věnuje studiu práv a literatury. Po návratu do USA pracoval jako středoškolský profesor, ale zde už můžeme datovat jeho velký životní zlom.

V r. 1914 vstupuje do Americké astronomické společnosti, což neznamená nic jiného, než že se z něj stává profesionální astronom. Po tříleté účasti v 1. světové válce začíná pracovat na observatoři Mount Wilson v Californii, zde se etabluje mezi přední osobnosti výzkumu mlhovin, tehdy nezřetelných, rozmazaných skvrn na noční obloze. On sám jich nalézá přes 500! (Tehdy se ještě nevědělo, že jde o vzdálené galaxie). Hvězdárna na Mount Wilson patřila mezi přední světová pracoviště. Od r. 1908 byla vybavena 150 cm reflektorem, v r. 1917 pořizují 2,5 metrový dalekohled, který až do poloviny minulého století zůstává největším dalekohledem na světě.

Jedno z hlavních témat astronomie té doby byla už dříve zmiňovaná poloha našeho Slunce v Galaxii, její rozměry a postavení v okolním vesmíru (viz předchozí část „Velká debata“) a rozměry vesmíru vůbec. Část astronomů považovala mlhoviny za součásti naší Galaxie, někteří naopak tvrdili, že jde o samostatné hvězdné ostrovy. Velkou pozornost poutal Messierův objekt M 31, mlhovina v Andromedě, kde byla koncem 19. stol. nalezena a vyfotografována supernova. Rovněž v Andromedě byla rozeznána spirální ramena a také pořízení spekter potvrdilo, že jde o samostatnou galaxii. Jenže co ty ostatní?

V roce 1912 objevila Henrietta Leavittová vztah mezi dobou periody a zářivým výkonem proměnných hvězd, tzv. cefeid (podle poprvé pozorované hvezdy delta Cephei 1784 v souhvězdí Cefea), čímž se nám poprvé v dějinách astronomie objevuje pojem „standardní svíčka“ – ano, přesně ten, který dnes – o více než 100 let později – pomáhá kosmologům a astrofyzikům při měření expanze vesmíru, i když dnes jde o exploze supernov typu Ia , které díky identickému fyzikálnímu procesu při výbuchu slouží jako „kosmické majáky“. U cefeid šlo o něco jiného – o periodu útlumu a zjasnění zářivosti, nicméně princip „majáku v prostoru“ je stejný.

Zjednodušeně: pokud pozorujete dvě stejně jasné proměnné hvězdy, pulzující se stejnou periodou, jsou od vás obě stejně daleko. Najednou nám samotný vesmír dal do ruky kalibrační klíč k určení vzdálenosti. Naprosto přelomové…

V roce 1925-6 publikuje Hubble práce o dalších mlhovinách, stává se světovým odborníkem na toto téma, zkoumá tisíce objektů a přichází s první klasifikací (teď už) galaxií dle tvaru, která vešla ve známost pod názvem Hubbleova ladička (Hubble’s Tuning Fork) – schéma připomínalo ladičku akustických hudebních nástrojů (viz obr.)

Existuje i interaktivní forma ladičky – můžete kliknout na jednotlivé ikony a zobrazí se vám informace o každé galaxii: http://astrog80.astro.cf.ac.uk/Herschel … gfish.html

Spektrální analýza – vesmír se rozpíná!

Revoluční průlom v pozorování vesmíru byl nejen důsledkem lidského umu, ale i stále se zdokonalujících přístrojů – a to jak samotných dalekohledů, tak spektrometrů, a velký vývoj prodělala i technika fotografie. Kombinací těchto faktorů byli astronomové schopni měřit radiální rychlosti galaxií a zjistili, že až na výjimky se všechny pozorované od nás vzdalují. Hubble se snažil najít a určit přímou úměru mezi vzdáleností, kterou se vzdalují a rychlostí jejich vzdalování – tato úměrnost se nazývá Hubbleova konstanta a od doby jeho prvních výsledků (H=550 km/sec/Mpc), byla mnohokrát znovu měřena a upřesňována (dnes se pohybuje kolem hodnoty 75 km/sec/Mpc). Většina tehdejších pozorování a měření byla zatížena velkými chybami, ale to je pochopitelné pro každou dobu a obory, kde se vědečtí průzkumníci pohybují jak na hranici citlivosti přístrojů, tak i našich teoretických znalostí…

V roce 1929 uveřejňuje Edwin Hubble památný článek „Vztah mezi vzdáleností a radiální rychlostí mimogalaktických mlhovin“, ve kterém shrnuje svá pozorování a odvozuje, že čím jsou galaxie dál od nás, tím rychleji se vzdalují. To, co si předtím (až na pár výjimek) nebyl nikdo schopen představit, bylo potvrzeno: vesmír není věčný a statický, ale EXPANDUJE!

Z Hubblea se stává světová osobnost, objevuje se po boku Einsteina na stránkách populárních časopisů, proniká do světa kulturních celebrit, stává se symbolem doslovného posouvání hranic člověka a z historického pohledu je zařazen mezi nesmrtelné osobnosti. Připomeňme proto jen, že zdaleka nebyl sám, kdo se účastnil této revoluce. Historie je někdy nespravedlivá a mnoho jmen upadne neprávem v zapomnění. Na druhou stranu je všechny podrobně zmínit není v možnostech tohoto článku, takže alespoň jmenovitě, ovšem s velkým respektem a uznáním: George Hale, Milton Humason, Vesto Slipher, Henrietta Swan Levittova, Georges Lemaître, Walter Baade, či Alan Sandage – aspoň pár jmen za všechny…

Edwin Hubble zemřel náhle 28. září 1953 na infarkt a na vlastní přání byl pochován pouze v úzkém kruhu rodiny na neznámém místě. Zajímavé je, že sám nepatřil mezi hlasité propagátory expanzního vesmíru. Jeho celoživotním krédem bylo pečlivě pozorovat a zaznamenávat naměřené hodnoty…

Hubble space telescope (HST)

Představovat HST by asi připomínalo nošení dříví do lesa. Jen málokterý vědecký přístroj je znám dokonce i mezi laickou veřejností. HST byl vynesen na oběžnou dráhu (do výšky 600 km) raketoplán Discovery (mise STS-31) v roce 1990. Už dlouho předtím si astronomové uvědomovali mnohá omezení zemské atmosféry a první plány pro vesmírný teleskop se datují do 2. poloviny 50. let minulého století. Nicméně šlo o úkol tak technický náročný, že jsme si na jeho realizaci museli počkat skoro 40 let.

Dnes tvoří neoddělitelnou součást tzv. Velkých vesmírných observatoří, které spravuje úřad NASA. Spolu s HST jde o Comptonovu observatoř (obor gamma záření, v r. 2000 stažena z orbity kvůli technické závadě na jednom z palubních gyroskopů), teleskop Chandra (rentgenová část spektra), Spitzerův kosmický teleskop (infračervený obor) a doufejme, že se k nim někdy po roce 2018 připojí JWST – dalekohled Jamese Webba, rovněž pracující v infračervené oblasti (zřejmě jasný budoucí směr většiny výzkumu vzdáleného vesmíru, vzhledem k posunu světla těchto dalekých zdrojů do infračervených vlnových délek). Právě JWST by měl převzít žezlo krále kosmických dalekohledu na konci éry HST.

Jen velmi letmo k vlastní konstrukci.

Optická soustava HST používá systém hyperbolických zrcadel, která bylo nutno jednak upravit pro prostředí kosmického prostoru, jednak vybrousit s větší přesností, než u zrcadel pro optická pozorování – počítalo se s oblastmi od ultrafialové až po blízkou infračervenou. Zrcadla bylo nutno vyleštit s přesností 10 nanometrů. Celek doplňuje odrazová vrstva hliníku (tloušťka 75 nm) a ochranný nátěr z fluoridů hořčíku (25 nm).
První týdny po vypuštění byly zjištěny problémy se systémem optiky. Kvalita snímků byla pod hranicí očekávání. Analýza poukázala na chybně vybroušené primární zrcadlo (na okrajích bylo příliš ploché a odchylovalo se od požadovaného tvaru o 2,3 mikrometru). Existovala sice dvě záložní zrcadla, ale nebylo možné je vyměnit v kosmickém prostoru. Dopravit dalekohled znovu na zem a zpět by bylo velmi nákladné. Nakonec se vědci rozhodli pro korekční zařízení, velmi zjednodušeně řečeno – se stejnou chybou, jako u zrcadla, ale s opačným znaménkem. Pro ostatní opto-elektronické prvky byla rovněž navržena externí korekční zařízení.

Další součástí výbavy jsou:
– širokoúhlá kombinovaná planetární kamera WFC3, oblasti: od UV přes viditelné až po infračervené spektrum
– kamera ve viditelném spektru ACS
– spektrometr vysokého rozlišení v ultrafialové oblasti COS
– další spektrometr STIS pro obory UV přes viditelné, až po IR
– Infračervená kamera a spektrometr NICMOS

Tolik jen ve zkratce. Záběr a použití těchto přístrojů by vydal na samostatný článek..

Vědecké řízení dalekohledu a distribuci výsledků má na starosti Vědecký institut kosmického dalekohledu (Space Telescope Science Institute – STScI), který sídlí v prostorách univerzity Johnse Hopkinse v Baltimoru (stát Maryland) a řídí ho Asociace univerzit pro astronomický výzkum (AURA) – tvoří ji 34 institucí (většinou univerzit) a 7 mezinárodních poboček. V Evropě má na starosti distribuci dat astronomům Space Telescope-European Coordinating Facility (ST-ECF), sídlící od r. 1984 v Mnichově. Dalekohled nepřetržitě monitorují 4 týmy letových kontrolorů, kteří zajišťují plynulý chod přístroje.

HST absolvoval 4 servisní mise (od počátku byl navržen tak, aby bylo možno provádět údržbu, což už třeba u JWST možné nebude, vzhledem k jeho vzdálenosti od Země), z toho první proběhla koncem roku 1993 a poslední (Service Mission Nr.4) na jaře 2009 za pomoci raketoplánu Atlantis (mise STS-125). Žádná další zatím není plánovaná, zvlášť po ukončení provozu raketoplánů. Navíc NASA jasně preferuje údržbu stanice ISS. Ukončení provozu HST a jeho postupné navedení do svrchních vrstev atmosféry bylo původně plánováno na letošní rok, avšak zatím, vzhledem k bezproblémovému provozu a kvalitě poskytovaných vědeckých dat je mise HST prodloužena. Pokud nedojde k úpravě dráhy, HST započne sestup do atmosféry někdy mezi roky 2019 – 2032, přesné datování závisí na více faktorech, například intenzitě sluneční aktivity. Některé součásti by měly přečkat neřízený sestup atmosférou, což z nich činí potenciální riziko na zemském povrchu. Zatím je však brzy cokoli řešit – dokonce jedna pozitivní informace závěrem – NASA nevyloučila možnost budoucích, být už výhradně robotických servisních misí…

Takže, milý HST – vše nejlepší k narozeninám a ať sloužíš co nejdéle!

Některá zajímavá fakta v datech:

– HST pořídil přes milión snímků
– zaměřil přes 33 000 objektů
– poskytl data pro 8 500 vědeckých prací, publikovaných astronomy a fyziky
– s dobou oběhu kolem Země každých 96 minut HST už urazil vzdálenost kolem 5,1 miliard km
– výše zmiňovaný Space Telescope Science Institute má uloženo v archívu HST více než 42 TB dat

PS: součástí poslední servisní mise bylo pořízení záběrů pro dokument Hubble 3D, který byl promítán i u nás v Imaxu. Jestli ještě rotuje a náhodou jste ho neviděli, vřele doporučuji ! http://hubblesite.org/hubble_20/imax_hubble_3d/

Úryvek z filmu Hubble 3D:

Zdroje informací:
Simon Singh – Velký třesk
Jeff Kanipe – Hubbleovy stíny
Zdeněk Pokorný – Kalendárium astronomie
http://en.wikipedia.org/
http://www.ceskatelevize.cz/
http://www.aip.org/
http://www.astro.caltech.edu/
http://ned.ipac.caltech.edu/
https://www.cfa.harvard.edu/
http://en.wikipedia.org/wiki/Edwin_Hubble
http://www.edwinhubble.com/
cs.cas pro fyziku, c. 1+2 / 2013
George Johnson – Až na konec vesmíru
http://hubblesite.org/
http://hubblesite.org/
http://en.wikipedia.org/wiki/Hubble_Space_Telescope
http://www.spaceref.com/
http://hubblesite.org/the_telescope/hubble_essentials/
http://www.lockheedmartin.com/
http://cs.wikipedia.org/
http://www.nasa.gov/
http://www.stsci.edu/

Zdroje obrázků:
http://asd.gsfc.nasa.gov/archive/hubble/art/overview/hubble_in_orbit1.jpg
http://acmescience.com/wp-content/uploads/2012/02/sssfight2.jpg
http://www.aip.org/history/cosmology/ideas/images-ideas/hubble-jeans-lg.jpg
http://amazing-space.stsci.edu/resources/explorations/groundup/lesson/scopes/yerkes/graphics/tele_yerkes_big.jpg
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/21/HubbleTuningFork.jpg/350px-HubbleTuningFork.jpg
http://www.oneminuteastronomer.com/wp-content/uploads/2012/03/Edwin-Hubble.jpg
http://facweb.cs.depaul.edu/sgrais/images/UV/GRAPHIC_HST%5B1%5D.gif
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/12/Improvement_in_Hubble_images_after_SMM1.jpg/800px-Improvement_in_Hubble_images_after_SMM1.jpg