Teleskopy – vylepšené, zvědavé oči astronomie

Jak se vyvíjela technická stránka teleskopů? A jak velké jsou dnes ty největší z nich? Lidská dovednost se nezastaví před žádnou překážkou. O dnešních i dřívějších teleskopech ... 

Na nočním nebi obou polokoulí můžeme sledovat neozbrojeným okem kolem 6000 hvězd. Je to málo, nebo hodně?

V dnešní době není pozorování hvězd zrovna snadnou záležitostí. Na vině jsou rušivé, téměř všudy přítomné zdroje světla. Optimální podmínky nacházíme jen daleko od velkých měst nebo silně obydlených oblastí. Nejslabší hvězdy, které se dají dobře pozorovat pouhým okem, mají zhruba 6. hvězdnou velikost.

Hvězdná velikost (jinak nazývaná zdánlivá magnituda, která se označuje symbolem mag nebo m) udává jasnost objektu (světelného zdroje) na obloze. Její hodnota představuje zdánlivou, tedy subjektivně vnímanou nebo přístrojem detekovanou, jasnost hvězdy. Hvězdy na obloze dělíme historicky od nejjasnějších, které jsou označeny 1. mag, po nejslabší s 6. magnitudou.  
Rozdíl jasnosti o 1 magnitudu odpovídá poměru 2,512:1.  Hvězdy lišící se o 5 magnitud mají vzájemný poměr jasností 1:100.  Vyšší magnituda znamená nižší jasnost hvězdy.

Nejvzdálenější pozorované hvězdy se nacházejí zhruba ve vzdálenosti 7000 světelných let. Pro pozorování vzdálenějších hvězd musíme své oko ozbrojit optickým pomocníkem - teleskopem. Tyto přístroje slouží ke zvětšení blízkých objektů, mají ale hlavně zásluhu na tom, že pozorujeme větší množství objektů vzdálených.

Informace o vzdálených objektech získáváme díky světlu, které k nám vysílají. Fotony, které vznikly v dalekých hvězdách a musely překonat obrovské vesmírné vzdálenosti, dopadají do našeho oka nebo teleskopu a vytváří v nich odpovídající světelnou stopu. Díky tomu, že jsou umělé „oči“ teleskopů větší než lidské oko, mohou sbírat více světla (fotonů) a tím i více informací. Odhalí tak i slabší objekty, které jsou pro neozbrojené lidské oko nerozlišitelné.

Schema: teleskop zachycuje daleko více informací, než pouhé lidské oko.

Refraktor – optický dalekohled

První teleskop vyrobil Galileo Galilei na začátku 17. století. Jeho vlastnoručně broušená čočka měla průměr jen několik centimetrů, přesto způsobil malou revoluci a zprostředkoval úplně nový pohled na vesmír.

Obrázek: By LehrerCN (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons, zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/66/Galilei_telescope.svg, https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AGalilei_telescope.svg

Optické dalekohledy dostávaly postupem času větší a dokonalejší čočky, výroba ale záhy narazila na technické problémy.
Světelný signál, které čočka sbírá, totiž průchodem přes ni zároveň slábne. Čím větší čočku se pokusíme  vyrobit, tím silnější musí být, aby byla dostatečně stabilní. Tím více následně oslabuje světlo, které přes ni prochází. U čoček větších než 1 metr už nepozorujeme další zlepšení viditelnosti vzdálených hvězd. Začnou u nich převažovat negativní následky silné vrstvy skla. Další zvětšování teleskopů muselo jít jinou cestou – využilo techniku, která je sice známa už od 17. století, ve velkém se pak začala používat až v 19. století.

Reflektor – zrcadlový teleskop

Světelný paprsek v něm nemusí procházet skleněnou čočkou. Namísto toho je odražen od tzv. „zrcadla“, uvnitř tubusu. Díky tomu, že se dá zrcadlo ze zadní strany podepřít, je stabilnější. Zrcadla těchto teleskopů běžně dosahují několika metrů. U těch největších z nich se ale opět vynořily technické problémy. I jejich zrcadla se bortí pod vlastní vahou, i když se to projevuje při daleko větších rozměrech, než u optické čočky.Děje se to zhruba od pěti metrů průměru zrcadla.

Schema: Dva příklady zrcadlových teleskopů. Schematické znázornění sběru světelných paprsků pomocí zrcadel. Kromě těchto dvou typů existují i typy smíšené.

Segmentované teleskopy

Jakým způsobem vylepšit teleskop,  který narazil na hranici možností použité techniky? Řešením se se stala tzv. „segmentace“.  Její princip spočívá v tom, že není nutné, vyrábět zrcadlo z jednoho kusu materiálu. Jak se ukázalo, stejně dobře poslouží několik menších, vzájemně propojených zrcadel. Teoreticky bychom tak mohli vytvořit neomezeně velkou sběrnou plochu teleskopu, kdyby ...
... se při velikostech kolem deseti metrů nepřihlásila pro změnu ke slovu další překážka, která je tentokrát téměř nepřekonatelná. Není technického rázu, je čistě fyzikální. Světlo vzdálených pozorovaných hvězd totiž nemusí projít jen sběrnou soustavou teleskopu (čočkou nebo soustavou zrcadel), musí především projít pozemskou atmosférou. Pohyb vzduchových vrstev v ní ale způsobuje mihotání a rozostření signálu. Vzdálený signál, který by mohla zachytit větší a větší zrcadla, bude neodvolatelně degradovat. Ani větší počet zrcadel proto už nepřinese lepší výsledek.

Adaptivní optika

Jak si poradit s negativním vlivem naší atmosféry? Její vlastnosti se nedají ovlivnit, dají se ale obejít. Jednou z možností je přenos celého teleskopu na oběžnou dráhu kolem Země. I když je tato varianta technicky uskutečnitelná, má citlivé nedostatky. Doprava teleskopu na oběžnou dráhu není zrovna levná záležitost. A jeho opravy a obsluha, jak ukázal například Hubbleův telekop, jsou pak technicky velice náročné.

Skutečným převratem se stalo uplatnění z tzv. „adaptivní optiky“. Do věci se vkládá počítačová technika. Bere si na pomoc laserový paprsek, kterým „proměří“ aktuální stav atmosféry. Počítač pak předává signál na pohyblivou vrstvu zrcadla, která se podle potřeby deformuje a chvění atmosféry „dorovná“. Mikroskopické pohyby zrcadlové vrstvy, které často trvají jen tisícinu vteřiny, tak umožnily další technickou revoluci – rozměry dnešních teleskopů už opravdu nemají žádné hranice.
Jeden takový superteleskop právě vzniká v rámci ESO (evropská jižní observatoř) projektu „EELT“ na náhorní planině Paranal v Chile.  Extremly Large Telescope (EELT) bude mít v průměru 39 metrů a po svém dokončení se pravděpodobně postará o podobnou revoluci, jakou vyvolal před několika staletími první galileův optický teleskop. Bude se mimo jiné podílet na hledání malých kamenných exoplanet, které mají podobnou strukturu jako Země, i na průzkum nejstarších a nejvzdálenějších galaxií, které vznikly brzy po Velkém Třesku.

 Obrázek: EELT (European Extremely Large Telescope), který vyrůstá v Chile. Jeho zrcadlo je složeno ze 798 menších zrcadel. Využívá adaptivní optiku. Do provozu bude uveden plánovaně v roce 2024.
Zdroj: http://www.eso.org/public/germany/images/elt_8_cc/

 Obrázek: Systém zrcadel EELT, celkový průměr bude 39 metrů.
Zdroj: http://www.eso.org/public/germany/images/eelt-5345/

  Obrázek: Porovnání velikostí nejdůležitějších teleskopů. EELT je vpravo-uprostřed.
Autor: Cmglee (Own work    iThe source code of this SVG is valid.) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/Comparison_optical_telescope_primary_mirrors.svg

Za posledních 400 let udělala věda a technika obrovský pokrok. Rozměry dnešních teleskopů, a tím i hranice našich možností, už nejsou ovlivněny nedokonalostí naší techniky.
O jejich rozměrech ode dneška rozhodují  už jen finance – a politika.
Doufejme, že se tato poslední překážka, která se staví do cesty pohledu do vesmíru,
neukáže být nepřekonatelnou.

Fascinace chladným vesmírem – Herschel

V roce 1800 položil na stůl, ozářený slunečními paprsky, skleněný hranol. Do míst, kam dopadala duha z rozloženého slunečního světla, umístil teploměr. Dnes nás nepřekvapí, že největší nárůst teploty pozoroval hned vedle červené čáry duhy – tam, kde se na papíře neobjevila žádná další barva. Správně vydedukoval, že do tohoto místa dopadá nějaký zatím neznámý druh záření. Dnes mu říkáme infračervené, protože je ve spektru umístěno vně červené barvy.

Friedrich Wilhelm Herschel, Sir William Herschel (Foto: Lemuel Francis Abbott [Public domain], via Wikimedia Commons)

Tento objev nezůstal jeho jediným. Friedrich Wilhelm Herschel se stal nejúspěšnějším a nejvynalézavějším astronomem  historie.

Narodil se 1738 v Hannoveru. 1757 emigroval do Anglie, kde objevil svou novou vášeň – astronomii. Své teleskopy si budoval sám. V roce 1781 objevil planetu Uran a téměř přes noc se stal světoznámým. Díky apanáži, kterou mu udělil král, se mohl vědě nerušeně věnovat po celý zbytek života. Kromě planety Uranus objevil také jeho dva měsíce Titania a Oberon a měsíce Saturnu – Mimos a Enceladus. Jeho největší teleskop byl jeho vlastním dílem – měl průměr zrcadla 122 cm a ohniskovou vzdálenost 12 metrů.

Na jeho počest byl pojmenován největší teleskop, jaký kdy lidstvo vyslalo na oběžnou dráhu.

Vesmírný teleskop Herschel, 2009 - 2013 (Grafika: NASA, Public domain)

Projekt Herschel vlastnil dosud největší zrcadlo (3,5 metru), zhotovené z jednoho kusu materiálu. Pomocí tří spektrometrů sledoval infračervené záření v oblasti 57 – 670 µm. Aby nedocházelo k ovlivnění zachyceného signálu, byl celý systém chlazen na teplotu několika stupňů Kelvina. To se dělo pomocí tekutého helia. Relativně velké rozměry nedovolily chladit celý teleskop, dostal tedy tepelný štít a chlazení se omezilo jen na jeho přístroje.

Raketa Ariane 5 ho vynesla v květnu 2009 (spolu s teleskopem Planck) na oběžnou dráhu kolem země. Během dalších dvou měsíců se pomalým manévrem dostal na místo, kde měl strávit dalších 3,5 let, do té doby, než se vypotřebuje helium, potřebné k chlazení přístrojů. V  blízkosti Země by ho příliš rušilo její tepelné záření.

Byl umístěn do tzv. Lagrageova bodu,  místa, kde gravitace ostatních těles (Země a Slunce) působí jako kotva. Objekty, které se do těchto bodů dostanou, nemohou samy o sobě svou pozici opustit. Lagrangeovy body jsou proto oblíbená parkoviště teleskopů, které z nějakého důvodu nemohou fungovat přímo na oběžné dráze Země.

Mise teleskopu Herschel skončila v roce 2013. Poté, co bylo vypotřebováno všechno chladicí medium, uvolnil satelit místo v Lagrangeově bodu pro jiné projekty. Byl odeslán na bezpečnou vzdálenou, tzv. "hřbitovní" dráhu kolem Slunce.

Lagrange bod - L2
V soustavě Země-Slunce se bod č. 2 nachází na oběžné dráze kolem Slunce, 1,5 milionu kilometrů za oběžnou dráhou Země. Oba lokální zdroje infračerveného záření jsou pak na jedné přímce a satelit se k nim může při průzkumu vesmíru otočit zády, aby nebyl rušen.

Proč právě infračervené záření? Čím je pro vědce zajímavé?

Vesmír je chladný, alespoň většina jeho objektů je relativně chladná. Mezihvězdný plyn a prach mají teplotu pouhých několika stupňů Kelvina a záření, které vysílají se proto pohybuje v infračervené oblasti spektra.

Infračervené paprsky pronikají hravě oblaky prachu a plynu. Hodí se proto pro výzkumobjektů, které nejsou běžnému, viditelnému světlu dostupné.

Do infračervené oblasti je posunuta ta část informace, která pochází z velice starých objektů. To se děje díky rozpínání vesmíru. Čím starší objekty, tím vzdálenější jsou. Čím vzdálenější objekt, tím rychleji se od nás vzdaluje. Čím rychlejší je jeho pohyb, tím větší je přesun informace v jeho spektru k infračervenému konci.

V infračervené oblasti se také nacházejí spektrální čáry mnohých molekul, zajímavých pro výzkum procesů v planetárních atmosférách, případně v protoplanetárních soustavách.
Herschel teleskop měl oproti (v minulém blogu zmiňovanému) pozemnímu teleskopu ALMA možnost zkoumat i ty vlnové délky infračerveného záření, pro které je atmosféra naší planety neprostupná.

Jakým způsobem září hmota…
… je dáno její teplotou. Horké vlákno žárovky vyzařuje vlnové délky, které jsme schopni vidět očima, zatímco chladné objekty samy o sobě nevidíme. Vlnová délka, kterou vyzařují leží v infračervené oblasti spektra. Pokud je nutno je zobrazit, musíme použít  kamery se senzorem, citlivým na infračervené záření. Tzv. termovizní kamery se například používají pro lokalizaci tepelných ztrát domů.

Procesy v mezihvězdné hmotě

V oblacích mezihvězdného plynu a prachu probíhá neustálý souboj gravitace a tepelného záření. Gravitace se snaží oblak zhušťovat a zmenšovat, tepelné záření se ho snaží rozpínat. U hmotnějších objektů logicky vítězí gravitace. Oblak kolabuje a v jeho centru se tvoří nové hvězdy, obklopené protoplanetárními systémy. Právě takové soustavy zkoumal teleskop Herschel.

V hodně vzdálených (proto i hodně starých) galaxiích objevil Herschel oblasti ve kterých vznikaly naráz statisíce hvězd. Ve srovnání s nimi působí naše vlastní, dnešní galaxie klidně a spořádaně. Průměrně v ní vzniká jedna hvězda ročně.

Pro ty, kdo se zabývají vznikem života ve vesmíru, přinesl teleskop Herschel dobrou zprávu. Potvrdil přítomnost vody jak v mezihvězdných oblacích, tak  v galaxiích a soustavách právě se tvořících hvězd. Planetární soustavy proto mohou obsahovat dostatek vody, potřebné pro život.

U hvězdy TW Hydrae, vzdálené 176 světelných let, objevil teleskop Herschel protoplanetární disk, ze kterého se formují planety kolem centrální hvězdy. Pozorování ukázala, že je hmotnost tohoto disku daleko vyšší, než se očekávalo.  Poukazuje to na fakt, že ve vesmíru mohou vznikat planetární soustavy, které jsou daleko hmotnější a komplexnější než ta naše. Planety mohou být hmotnější nebo jich může být více.

Výše zmíněné dva příklady jsou jen malým zlomkem  úspěchů, které projekt dosáhl. Herschel byl enormně výkonnou a zdařilou misí – během svého pobytu na oběžné dráze provedl satelit více než 35 000 měření. Jejich výsledky budou vědci zpracovávat ještě řadu let.

Foto: velké Magellanovo mračno, infračervenou fotografii pořídil teleskop Herschel. (ESA/NASA/JPL-Caltech/STScI (NASA Jet Propulsion Laboratory) [Public domain], via Wikimedia Commons)

Věda, která sahá po hvězdách – teleskop ALMA

Největší, nejdražší a nejdokonalejší hračka v dějinách astronomie. Tak by se dal nazvat teleskop s malebným názvem ALMA. Ve španělštině a portugalštině jeho jméno znamená „duše“. Jeho domovem se stala poušť Atacama v Chile.

 Foto: Teleskop Alma, složený snímek, který zachycuje výřez 180 stupňů. Díky tomu se zdá, jako by antény směřovaly do různých směrů. Ve skutečnosti jsou všechny obráceny stejným směrem. (Copyrigh: ESO/B. Tafreshi (twanight.org (http://twanight.org/)))

Obrázek: poušť Atacama v Chile (Copyright von cobaltcigs [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) oder GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons)

Nad plání, plnou ostrých kamenů, zapadá slunce. Na nebi se pomalu objevují první zářivé hvězdy. Za chvíli ho promění v temný, stříbrem protkaný koberec. Vědci, technický personál, návštěvníci i turisté si vychutnávají jedinečný pohled. Poté, co vystoupili z autobusu ovšem rychle pocítí také všechna negativa, která s sebou přináší zdejší vysoká nadmořská výška. Projeví se pocitem nevolnosti, únavy, zvracením, v extrémním případě i ztrátou vědomí. Práce je tu možná jen s kyslíkovou maskou, delší pobyt je nemožný.

Útrapy, kterým je vystaven technický personál ale i sami vědci se jim rozhodně vyplatí. Největší a nejdražší projekt, jaký kdy pozemní astronomie uskutečnila, přinesl nejen vyšší rozlišení snímků – umožnil experimenty, které posunuly vědu a lidstvo kupředu hned o několik kroků.

ALMA je pozemský teleskop, který se odlišuje od všech dosud vybudovaných teleskopů svou  převratnou technickou konfiguraci. Běžný teleskop vlastní větší či menší zrcadlo, které sbírá informace elektromagnetického záření - a předává je k dalšímu zpracování počítačům. ALMA se skládá z většího množství (66 větších a menších antén) jednotek, které jsou všechny synchronizovány a propojeny s řídícím střediskem. Největší výhodou systému je ovšem jeho mobilita. Jednotlivé antény nemají stálou pozici a mohou být (s přesností několika milimetrů) pomocí dvou transportérů rozmístěny v okruhu 150 metrů až 16 kilometrů. To dává teleskopu možnost „zoomovat“. Pro pozorování větších objektů volí vědci menší konfiguraci, pro pozorování vzdálených a malých objektů spíše větší rozpětí antén. V případě potřeby může celý systém fungovat jako obří anténa s průměrem téměř 16 kilometrů.

Velké množství souběžně pracujících antén produkuje obrovské množství informací. Je tak velké, že není v lidských silách je ukládat. Každá z dvanáctimetrových antén vyšle za sekundu provozu 15 GB dat. Ta jsou nejprve několikanásobně zmenšena kompresí, digitalizována, aby pak optickými kabely  putovala do 15 km  vzdáleného řídícího střediska, které se nachází v příjemnější nadmořské výšce 3000 metrů. Výsledný tok informací je přesto úctyhodný. Každou vteřinou získávají  vědci ze všech antén přes 64 MB dat.

Další zvláštností systému je tzv. adaptivní optika. Kompenzuje hlavní nedostatek pozemských teleskopů oproti těm, které jsou umístěny na oběžné dráze - chvění atmosféry, které znesnadňuje pozorování detailů. Speciální pohyblivý povrch antény umožňuje atmosferické turbulence v reálném čase vykompenzovat. Je k tomu potřeba jasně zářící hvězda, nacházející se nedaleko pozorovaného objektu. Její mihotání je registrováno a použito ke standardizaci signálu pozorované hvězdy. Pokud není žádná referenční hvězda k dispozici, vytvoří vědci projekci „umělé“ hvězdy zhruba do výšky 90 km pomocí laserů.

ALMA sleduje s dosud nevídanou citlivostí a přesností infračervenou část elektromagnetického spektra. Pro srovnání – je až desetkrát přesnější než Hubble teleskop.


Využívá přitom tzv. „okna“, ve kterém je propustnost atmosféry vyšší, než při ostatních vlnových délkách záření (viz obrázek nahoře).

První data začal teleskop ALMA sbírat už v roce 2009. Začátkem 2011 se na něm začaly uskutečňovat první vědecké projekty, i když byla tou dobou k dispozici jen třetina celkové konfigurace. Oficiální zahájení plného provozu proběhlo v březnu 2013.

Nepodílí se na přímém hledání života ve vesmíru, ani na pátrání po planetě, podobné Zemi. Jeho úkolem je prozkoumat „chladné“ části vesmíru, ke kterým patří plynné molekuly, prach a pozůstatky velkého třesku – reliktní záření. Sbírá informace o tom, jak vznikaly první hvězdy a galaxie, detekuje stavební kameny hvězdných soustav a planet v dnešním i v ještě mladém vesmíru.

Umí sledovat spektrální linie, které byly pro dřívější instrumenty příliš slabé a může vystopovat daleko pestřejší paletu sloučenin než dosavadní teleskopy.

Podílí se na velkém množství různých projektů. Jedním z napínavých úkolů je například průzkum emisních linií ionizovaného uhlíku. Pozorování nefunguje u zdrojů příliš blízkých. Linie, které uhlík emituje, se nacházejí v té části elektromagnetického spektra, kterou pozemská atmosféra nepropouští. Díky rozpínání vesmíru se ale všechny emisní čáry přesouvají směrem k větším vlnovým délkám, do části spektra, ve které už může být zachyceno i na pozemském povrchu teleskopem, jakým je ALMA. Povedlo se tak sledovat spektrální čáry ionizovaného uhlíku u objektů s rudým posuvem více než 6 jednotek – odpovídající objektům, které existovaly v relativně  mladém vesmíru, 600 – 800 milionu let po velkém třesku. Díky vysoké citlivosti navíc umí ALMA vzdálené galaxie nejen detekovat, ale i kartografovat.

Není to fascinující?

Ještě nedávno lidstvo nevědělo, jestli u ostatních hvězd existují planety.
Dnes nejen že věda několik tisícovek planet našla, dokáže dokonce i nahlížet do vzdálených planetárních soustav během jejich vzniku. Ze všech vědeckých projektů, na kterých se ALMA podílí, jsem jako příklad vybrala dva objevy, které se týkají formování planetárních soustav.

Rozložení molekul CO v protoplanetárním systému kolem hvězdy Beta Pictoris (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO) and NASA's Goddard Space Flight Center/F. Reddy)

Jedním z překvapivých objevů je oblak z oxidu uhelnatého v protoplanetární soustavě u hvězdy Beta Pictoris, vzdálené 63 světelných let.1) Disk z plynu a prachu, který hvězdu obklopuje je považován za klasickou právě se tvořící planetární soustavu. V tomto zhruba 20 milionů let starém systému vědci takové nakupení oxidu uhelnatého nečekali. Plyn, který byl v protosoustavě přítomen by se měl totiž zářením mateřské hvězdy během 100 let rozložit. Zdá se, že je neustále doplňován – pravděpodobně kolizemi malých ledových těles – komet nebo malých planet. Kartografováním protoplanetárního systému vědci zjistili, že se oxid uhelnatý koncentruje do dvou lokalit. Možným vysvětlením je existence velké planety, která vychytává komety ve svém okolí, nebo kolize dvou menších ledových planet v relativně nedávné době (méně než 100 let).
1)  https://cs.wikipedia.org/wiki/Beta_Pictoris

Grafika: protoplanetární disk u mladé hvězdy HL Tauri. ALMA umožnil pohled na vnitřní strukturu budoucí soustavy. Dává tušit, v jaké vzdálenosti se kolem centrální hvězdy formují mladé planety. (ALMA (ESO/NAOJ/NRAO))

Druhá grafika ukazuje pravděpodobnou pozici planet, které se tvoří kolem mladé hvězdy HL Tauri. Je od nás vzdálena 450 světelných let. Obrázek, který zachytil teleskop ALMA, je několikrát přesnější než zatím nejostřejší snímek Hubble teleskopu. Snímek překvapil vědce hlavně proto, že HL Tauri 2) je teprve zhruba milion let stará. Natolik vyvinutou planetární soustavu u ní nikdo nečekal. Zdá se, že formování planet kolem protohvězdy může probíhat rychleji, než jsme původně předpokládali.
2) https://en.wikipedia.org/wiki/HL_Tauri

Teleskop by měl pracovat 30 let, pokud ho nezasáhne žádná přírodní katastrofa. Oblast, ve které ALMA stojí, je sice výhodná pro pozorování vesmírných objektů – nachází se ale zároveň v blízkosti aktivního vulkánu Láscar. Je to nejaktivnější sopka v Chile. Vybuchla naposled v roce 2006.