Čas po Hubbleovi

MARTIN PETRÁSEK  |  
kosmo

Vědeckotechnická revoluce neskončila, jen se přesunula do těch nejextrémnějších odvětví lidské činnosti. A opravdový boom zažívá astronomická pozorovací technika. Její možnosti rostou exponenciální řadou, a to, co se zdálo ještě včera nemožné, se zítra stane skutečností. Virtuálně rozšiřujeme dosah naší sociální sféry pomocí pozemských i kosmických očí nejen do dálky, ale i do šířky. Copak můžeme vidět ještě více než dnes? Ano, můžeme.

Lidské oko je přizpůsobeno viditelnému oboru elektromagnetického spektra. Světlo, které očima pozorujeme, je jen úzkým proužkem v celém elektromagnetickém oboru. Naše oči mají právě takovou velikost, aby dokázaly prostřednictvím svých světlocitlivých orgánů v těchto vlnových délkách dobře rozlišovat. A proč právě viditelné světlo? Inu proto, že v oboru viditelného světla je atmosféra právě průhledná. Pokud by chtěly lidské oči něco na Zemi vidět, musely by pozorovat pouze v oboru viditelného (nebo jemu blízkého) spektra. Jenom v těchto částech je atmosféra průhledná, dopadá k nám ze Slunce nejvíce světla. Ano, průhledná je atmosféra také v rádiovém oboru, ale to by museli mít živočichové oči těmto vlnovým délkám přizpůsobeny. A umíte si představit, že bychom měli místo očí radioteleskopy o velikosti několika desítek metrů? Jenže události ve vesmíru se odehrávají nejen ve viditelném spektru.

A abychom tyto události mohli pozorovat, detekovat a měřit, musíme se za ostatními vlnovými délkami vydat do kosmu.Viditelné světlo také neprochází atmosférou úplně hladce, stačí si jen vzpomenout na mihotání hvězd anebo rudé Slunce při jeho západu. Co vše pozorujeme z kosmu? Díky absenci atmosféry můžeme z kosmu pozorovat téměř vše. Nevyplatí se nám v tuto chvíli snad jen radioteleskopy, pro něž stačí povrch Země, atmosféra je vůči rádiovým vlnám zcela průhledná. S vývojem techniky se ale i v těchto případech dočkáme změn, protože plocha Země nám již nebude stačit. Pro větší rozlišení radioteleskopů potřebujeme větší plochu.Už dnes využíváme interferenčních sítí radioteleskopů napříč celou zeměkoulí.Rozšíření dalších, byť třeba menších radioteleskopů do kosmu, například do Lagrangeových bodů nebo na povrch Měsíce či na jiná tělesa, naše možnosti ještě zlepší.

Kosmické oči mají za úkol sesbírat informace z ostatních oborů elektromagnetického spektra a dnes už nejen toho. V elektromagnetickém oboru máme ve vesmíru družice pro sledování gama-záření (GLAST vypuštěný NASA a INTEGRAL vypuštěný ESA). Vesmírné události sledujeme také v rentgenovém oboru (XMM-Newton, Rossi, Swift, Chandra). Ve viditelném, UV a IR oboru je asi nejznámější Hubbleův kosmický dalekohled. Jak se nám postupně vlnové délky natahují, dostáváme se na začátek našeho odstavce k rádiovým vlnovým délkám. Zde nemůžeme zapomenout na kosmické sondy sledující reliktní mikrovlnné kosmické pozadí. Teprve až potom, s delšími vlnovými délkami, sestupujeme na Zemi a používáme radioteleskopy.

Umíme „vidět“ nejen světlo

Tři rozdílný části spektra

Součástí dnešní pozorovací techniky není jen dalekohled (rozuměj nástroj k pozorování elektromagnetického záření). Významnou roli hrají také detektory kosmického záření, tedy detektory zaznamenávající dopady různých zajímavých částic z hlubokého kosmu – titěrnými neutriny počínaje a extrémně energetickými protony konče.

Tři rozdílný části spektra

A potom nesmíme zapomenout na jeden z nejnákladnějších pozorovacích přístrojů, který je ve svých různých verzích vyvíjen a provozován již dlouhé roky – a přitom dosud nic nenapozoroval. Detektor gravitačních vln. Těmto oblastem se ale věnovat v tomto článku nebudeme.Pojďme se podívat, co dokážeme v oblasti elektromagnetického spektra dnes, v éře Hubbleova dalekohledu, a co bychom měli dokázat v letech a desetiletích následujících.

Tři rozdílný části spektra

Tvrdé elektromagnetické záření

Pod tímto pojmem se skrývají obory gama- záření a rentgenové záření.U obou rodin bylo již dávno před jejich detekcí jasné, že se ve vesmíru musejí vyskytovat. První předpovědi existence takového záření pocházejí z první poloviny dvacátého století. Už v roce 1958 předpovídal Morrison, že při srážkách vysoce energetických nabitých částic kosmického záření s mezihvězdným plynem musejí být emitovány gama fotony. Rentgenové záření by zase mělo přicházet z oblastí obsahujících extrémně horký plyn. Abychom si ale experimentálně tato tvrzení mohli prokázat, bylo nutné naše detekční přístroje dostat nad zemskou atmosféru, protože rentgenové i gama-záření je atmosférou téměř zcela pohlcováno. K dispozici byly buď balony, nebo později satelity. První překvapení přitom přišlo v roce 1962, kdy suborbitální raketa Aerobee detekovala první silný zdroj rentgenového záření. Přicházel ze souhvězdí Škorpiona a dostal název Scorpion X-1. Jak se později ukázalo, jde o dvojhvězdný systém, v němž neutronová hvězda krade materiál svému menšímu hvězdnému souputníkovi. Jak tento materiál padá na neutronovou hvězdu a nabaluje se na akreční disk, je silně zahříván a emituje rentgenové záření.

To, co opravdu vidíme

Jak v elektromagnetickém oboru energie fotonů klesá a zvětšuje se jejich vlnová délka, přecházíme z rentgenové oblasti do UV oblasti. Ani pro UV záření není atmosféra Země dostatečně průsvitná, a tak i tento obor vyžaduje kosmické dalekohledy. Oproti optickému oboru je vesmír v oboru UV zcela jiný. Fotony UV záření jsou nositeli informace o oblastech s vyšší teplotou a energií. A tak v UV oboru výrazně září například horké mladé hvězdy nebo naopak objekty v závěrečných fázích svého kosmického vývoje. Optický a infračervený obor spektra je dobře pozorovatelný i tady na Zemi, ale jak říká klasik, „ve školní klasifikaci je dobrý za tři“. Atmosféra je sice pro tyto oblasti průhledná, ale obraz deformuje.

Proto je se svou technikou Hubbleův dalekohled takovou hvězdou. Jeho téměř legendární kamera WFPC napojená na 2,4 metru široký Ritchey-Chrétienův dalekohled zachycuje celé spektrum UV, viditelného i infračerveného záření. Jak energie klesá, dostáváme se do oblastí, které již na zemský povrch dopadají téměř bez problémů. Slovo téměř je ale namístě, protože infračervené záření je silně pohlcováno molekulami vody. Největší observatoře jsou tak umísťovány na vrcholky náhorních plošin v extrémně suchých oblastech, anebo jsou pozorovací přístroje neseny na palubách letadel.Speciálním případem, který leží na pomezí infračervené a rádiové oblasti je pozorování mikrovlnného kosmického pozadí, reliktního záření, které se vylouplo a prostoupilo vesmír, když byl starý pouhých 300 tisíc let.

Dnešní pozorovací technika

Tvrdé elektromagnetické záření pozorujeme pomocí přístrojů zcela odlišných od klasických dalekohledů.Zatímco nejtvrdší obor spektra s vysoce energetickými fotony gama-záření využívá klasických detektorů, měkčí rentgenová oblast už něco podobného dalekohledům používá. Rentgenové záření je však stále vysoce energetické a neexistuje klasický povrch, který by mohl hrát úlohu zrcadla podobně jako u dalekohledů. Místo toho se využívá velmi ostrých úhlů dopadu a odrazu. Dnešní rentgenový dalekohled je vlastně kombinací parabolického a hyperbolického zrcadla, která jsou potažena zpravidla iridiovou vrstvou. Díky tomuto konceptu se dosahuje rozlišovacích schopností pod jednu úhlovou vteřinu.Oblasti UV, viditelného a infračerveného spektra již okupují přístroje velmi podobné našim dalekohledům. Trend ve vývoji směřuje k využívání větších sběrných ploch a lepších detekčních mechanismů. Jednotlivé vlnové délky se liší jen použitými „detektory“.

Hubble jako jeden z mnoha

Hubbleův dalekohled je svým životním i populárně-vědeckým cyklem zajímavým přístrojem, ale není všemocný. Ostatní vlnové délky jsou, jak vidno, stejně důležité. Přístroje v ostatních vlnových délkách právě rozšiřují dosah našich schopností a především ony určují trendy v high- tech pozorovací techniky. Bohužel krásné obrázky ani v UV záření, ani v rentgenovém spektru nepořídíte a ani z Chandry, ani ze Spitzerova dalekohledu nebudou tak pěkná pozadí na plochu.


Nejzajímavější kosmické oči

Gama spektrum Do dnešního dne vzlétlo do kosmu 12 satelitů sledujících vesmír v gama oboru. Zde jsou ty nejzajímavější.

GLAST: Fermi Gamma-ray Space Telescope dříve pojmenovaný Gamma-ray Large Area Space Telescope neboli GLAST. Bude pozorovat zdroje gama-záření z aktivních galaktických jader, pulzarů a detekovat záblesky gama-záření. Je projektem NASA.

Integral: Je projektem ESA a Ruské kosmické agentury. Kromě úkolů podobných GLAST mapuje například zdroje gama- záření v galaktické rovině. Rentgenové spektrum Zahrnuje do dnešního dne 29 vypuštěných satelitů, z nichž 22 již ukončilo svou funkci. Část z nich patří i do skupiny gama satelitů.

CHANDRA: Je asi nejznámějším RTG satelitem, protože na oběžné dráze operuje již od roku 1999. Původně mu byla dána životnost 5 let, kterou pak NASA rozšířila na 10 a do budoucna ještě zřejmě rozšíří na 15 let. Mezi známější objevy tohoto dalekohledu patří rentgenové emise z blízkosti supermasivní černé díry v centru naší Galaxie. UV spektrum Je obor, který se přístrojově kříží s viditelným i infračerveným oborem. Jsou totiž používány stejné optické nástroje – dalekohledy.

FUSE: Je satelit, který pozoruje výhradně v UV oboru a jeho hlavním vědeckým cílem bylo pozorování zastoupení deuteria, tedy izotopu atomu vodíku, jednoho z nejhojnějších prvků po vzniku vesmíru. Viditelné spektrum Vysloveně viditelnou oblast sledující klasicky hluboký vesmír zastupuje pouze Hubbleův dalekohled. Všechny dosavadní mise nebo připravované mise totiž budou plnit jen dílčí úkoly, kralují mise hledající extrasolární planety.

Hubbleův kosmický dalekohled: Byl vypuštěn 24. dubna 1990 a je jedním z nejdéle sloužících kosmických dalekohledů. Má za sebou několik servisních misí a jeho budoucnost je poněkud nejistá. Přesto slouží a NASA i JPL s ním nadále počítají. Zajímavé je, že za tento typ dalekohledu nemáme žádnou adekvátní náhradu. V případě jeho selhání nebude na oběžné dráze žádný takto komplexně operující dalekohled.

Infračervená oblast

I když jde o oblast mimo dosah lidského oka, je tento obor jedním z nejsledovanějších, protože zahrnuje největší počet kosmických dějů. S nadsázkou se dá říct, že bez sledování vesmíru v infračerveném oboru bychom o vesmíru nevěděli téměř nic. Spitzerův kosmický dalekohled: Je to dalekohled s 85centimetrovým zrcadlem z berilia, které je chlazeno na pouhých 5,5 kelvina. O jeho objevech čteme poměrně často, masmédii například nedávno prošly zprávy o přímém pozorování světla z extrasolární planety. Mikrovlnná oblast Zahrnuje především pozorování reliktního mikrovlnného kosmického záření, ale také můžeme detekovat fotony brzdného a synchrotronového záření z hmoty obíhající v Galaxii.

WMAP: Stojí jako revoluční zástupce dalekohledů sledujících reliktní záření. Díky němu se podařilo zase o něco lépe potvrdit teorii velkého třesku, složení vesmíru v jeho rané fázi, zpřesnění stáří vesmíru na 13,73 ± 0,12 mld. let, zpřesnit Hubbleovu konstantu na 70,1 ± 1,3 km·s-1/ Mpc. A to vše jen prostřednictvím reliktního mikrovlnného kosmického pozadí. Tak důležité pro nás toto reliktní záření je.

Rádiové vlnění Přestože je atmosféra průhledná pro rádiové vlny, existují i koncepty kosmických radioteleskopů. Jejich cílem je především interferometrie. Tedy simultánní pozorování v kosmu a na Zemi. Kvůli velké vzdálenosti se zvětšuje také rozlišení radioteleskopů. HALCA : Jediný dosud vypuštěný radioteleskop. Další dva jsou teprve plánovány. Byl japonským produktem, avšak po pár letech selhaly jeho výškoměry a dalekohled shořel v atmosféře.

Až Hubble padne

Co se stane, až Hubbleův dalekohled doslouží? Naše kosmické oči přijdou o nádherné obrázky z univerzálního dalekohledu sledujícího pečlivě blízký i hluboký vesmír ve velmi široké škále elektromagnetického oboru spektra. Z hlediska kosmického výzkumu jej ale nahradí (nebo už dávno nahrazují) v každém podstatném oboru spektra specializované stroje. Pryč jsou roky, kdy vesmíru kralovala NASA. V kombinaci s pozemskými dalekohledy, Evropskou kosmickou agenturou a NASA získávají vědecké závody na akceleraci. Hubbleův dalekohled udržuje při životě série zařízení, která však nemají nekonečnou životnost. Především náchylné jsou gyroskopy, výměnu budou brzy potřebovat akumulátory. Postupně klesající oběžná dráha bude také potřebovat určitou korekci nebo alternativní pohon. Pokud bude NASA servis stíhat, pak bude ještě nějaký ten rok Hubble fungovat. Pokud ne, čeká dalekohled pád do atmosféry. Jeho zbytky pak zřejmě skončí na povrchu Země nebo v oceánu.

Kosmické oči budoucnosti

Kosmické oči budoucnosti

Zatímco v gama oboru se žádné velké mise nechystají, veškerý zájem se soustředí do nově vypuštěného GLAST a stávajících misí ostatních satelitů, je v rentgenovém oboru situace živější. Nejenže se v polovině roku pokusí vypustit svůj RTG satelit Indie (Astosat), ale ve vývoji a velkém očekávání je Constellation-X Observatory americké NASA, která se bude zaměřovat především na situace v těsné blízkosti černých děr. Měl by dokonce produkovat videosekvence pádu hmoty pod horizont událostí tak, jak probíhá jejich poslední oběh v akrečním disku. Sonda ale nebude vypuštěna dříve než v roce 2017.Precizní měřicí přístroj bude vypuštěn americkou NASA pod názvem GAIA v polovině roku 2011. Jeho úkolem bude pozorovat a měřit pozice hvězd a vytvořit tak 3D mapu hvězd v dosažitelné vzdálenosti naší Galaxie.

V době vydání tohoto článku je pravděpodobně úspěšně vypuštěna velká naděje americké NASA na hledání extrasolárních planet. Dalekohled KEPLER bude fotometricky pozorovat okolní hvězdy a hledat tak známky přechodu potenciálních planet přes jejich hvězdný disk. V programu má 100 000 hvězd, které bude sledovat po 3,5 roku.Honba za extrasolárními planetami připomíná zlatou horečku, protože v plánu jsou i další dalekohledy s podobným úkolem: Space Interferometry Mission, Terrestrial Planet Finder, Darwin Mission.

Přestože komplexnost Hubbleova dalekohledu žádný plánovaný systém nenahradí, je centrem největšího zájmu koncept James Webb Space Telescope. Kosmický dalekohled Jamese Weba se poučil z potřeb i chyb Hubbleova dalekohledu a NASA jej považuje za Hubbleova nástupce. Bude však operovat pouze v infračervené oblasti od 0,6 do 28 mikronů. Nebude pozorovat z oběžné dráhy Země, ale z tzv. 2. Lagrangeova bodu. Tedy z místa ležícího na přímce Slunce– Země ve směru od Země, kde se vyrovnává vliv gravitace Země a Slunce. Oproti Hubbleovi bude mít jeho zrcadlo 6krát větší plochu a bude složeno z 18 zrcadlových beriliových segmentů chlazených na teplotu 40 kelvinů.

Aparatura bude obsahovat stínicí panely, které budou stínit světlu ze Země a ze Slunce. Cílem bude studovat nejvzdálenější a nejstarší objekty ve vesmíru, formování hvězd, hvězdných a planetárních soustav a nejstarších galaxií ve vesmíru. I když budou jeho snímky z infračervené oblasti, svou technikou obrázky hlubokého vesmíru Hubbleova dalekohledu bezpečně předčí. Máme se tedy na co těšit.

Nejčtenější