Objev gravitačních vln: „Bude levnější chleba?“

Padesát let po nich vědci pátrali. Před několika měsíci byly gravitační vlny jedním z pozemských detektorů skutečně zachyceny. Co si od nich vědci slibují?

Před sto lety je předpověděl Albert Einstein. Z rovnic jeho teorie vyplynulo, že hmota deformuje prostor, který se kolem ní nachází. Pokud se hmota pohybuje nestejnoměrně, je urychlována nebo zpomalována. V obou případech reaguje s prostorem kolem sebe – vytváří se vlny, které prostor deformují podobně, jako akustické vlny mění při svém pohybu hustotu vzduchu.

Už padesát let se vědci snaží o zachycení gravitačních vln. Povedlo se to poprvé loni na podzim. V polovině září zaznamenal experiment LIGO v USA zřetelný signál, který vznikl před 1,3 miliardami let při kolizi  dvou černých děr ve vzdálené galaxii. Povaha signálu naznačuje, že se nejednalo o supermasivní černé díry, které jsou součástí jader galaxií. Hmota obou objektů se odhaduje na 29a 36 hmotností Slunce.
Zachycené gravitační vlny po sto letech potvrzují další aspekt Einsteinovy teorie relativity. Jejich význam je ale daleko hlubší. Dá se srovnat s astronomickou revolucí, kterou přinesl objev prvního teleskopu.
 Chleba sice asi levnější nebude, rozhodně ne v dohledné době. Bude možná jednoho vzdáleného dne lehčí nebo těžší, pokud se lidstvo naučí gravitací manipulovat, můžeme říci s úsměvem.
Jaký je momentální a reálný přínos tohoto objevu? Co přesně nám přinese tento nový svět – svět gravitační astronomie?

Existence černých děr

Černé díry jsou velice hmotné objekty, které byly dodnes pouze logickou součástí důmyslných teorií.
 Jejich existence byla teorií předpokládána, předvídána a dokonce propočítána – díky jejich gravitačnímu vlivu na své okolí.
 Jejich existenci potvrzovala řada nepřímých pozorování . Odpovídaly mu pohyby hvězd, které se nacházejí blízko galaktického centra. Díky masivnímu gravitačnímu působení černých děr se tvořily tzv. „gravitační čočky“, které astronomie využívá k průzkumu velice vzdálených objektů. Přímo a jednoznačně se ale zatím černé díry nepodařilo pozorovat. Problém spočívá v našem přístupu k informacím o vesmíru. Zakládají se na identifikaci elektromagnetického záření  - světla, radiovln, rentgenového nebo gamazáření, apod.
Černá díra se ale (z principu věci) dá pozorovat jen velice špatně. V optické části spektra není vidět vůbec. Tyto objekty pozorujeme jen za specifických podmínek na jiných vlnových délkách.
Zachycením gravitačních vln, kterými černé díry při urychlení pohybu deformují časoprostor, se otevřely nové možnosti, nový „kanál“, kterým můžeme přijímat informace o vesmíru kolem nás. Pro pozorovaní černých děr to znamená, že lidstvo získalo první přímý důkaz jejich existence.

Pohyb rychlostí světla

Rychlost světla je v našem vesmíru limitující konstantní rychlostí. Odpovídá maximální rychlosti, kterou se může ve vesmíru pohybovat informace. Touha překonat ji, nebo jí alespoň dosáhnout, je věčným snem, kterého se lidstvo nejspíš v dohledné době nezbaví. Průzkum mechanismů, které k dosažení rychlosti světla vedou, bude mít jistě i v budoucnu vysokou prioritu. Pohybují se i gravitační vlny rychlostí světla? Odpověď na tuto otázku zatím nemáme, vědci na ní ale budou v nejbližší budoucnosti intenzivně pracovat.
Gravitační vlny, které byly zachyceny experimentem LIGO, byly výsledkem souhry náhod. Signál, který nikdo neočekával, byl detektorem identifikován během testovacího provozu. Vědci, obsluhující tento experiment, plánují cílený průzkum objektů, o nichž se domníváme, že vysílají gravitační vlny (tedy tělesa, která jsou momentálně urychlována nebo zpomalována). Budou pak porovnávat elektromagnetické signály, které objekt vyslal, s jeho gravitačními vlnami. Hlavně časová posloupnost jednotlivých pozorovaných jevů by měla dát odpověď na otázku, jak rychle se gravitační vlny vlastně pohybují.
Ale k čemu nám bude znalost rychlosti šíření gravitačních vln?
Analogicky k ostatním silám, které ve vesmíru pozorujeme, by měla být gravitace zprostředkovávána specifickým druhem částic. Dostaly jméno gravitony. Jejich vlastnosti jsou zatím neznámé – pokud se ale podaří definovat rychlost, kterou se gravitace šíří, budeme moci určit hmotnost gravitonů. Částice, které vlastní klidovou hmotnost, nemohou dosáhnout rychlosti světla. Pouze graviton, který klidovou hmotnost nemá,  by se  mohl touto limitující rychlostí pohybovat tak, jak to dělají fotony (částice, které zprostředkovávají elektromagnetickou sílu).

Vývoj vysoce precizní laserové techniky

Vedlejším produktem honby za gravitačními vlnami – je vylepšení techniky, kterou k ní vědci používají.
V minulosti se už mnohokrát ukázalo, že největšího technického rozvoje dosáhlo lidstvo tehdy, když mělo dostatek motivace. Motivací byly bohužel v minulosti nejčastěji různé konflikty a války. Pokud poskytne hledání gravitačních vln podobnou motivaci, je to podle mě možná největší okamžité a reálné pozitivum.

Důkaz kosmických strun

Kosmická struna je defekt vznikající pravděpodobně v raném vesmíru. Jde o tenkou velmi hustou trubici přibližně průměru protonu, která je buďto uzavřená nebo nekonečná. Uzavřené struny se mají tendenci vyzařovat ve formě gravitačních vln. Teorie říká, že se to bude moci pozorovat hlavně tehdy, když se tyto struny „nalomí“. Detektory jako LIGO nebo Virgo by měly umět takto vzniklé gravitační vlny objevit. Nebyl by to sice důkaz teorie strun, byl by to ale pokrok v oblasti základního výzkumu.
Vlastnosti neutronových hvězd
Neutronové hvězdy jsou pozůstatky explozí enormně masivních hvězd, které se v důsledku své obrovské gravitace zhroutily a zahustily natolik, že elektrony a protony jejich hmoty splynuly a vytvořily tak neutrony. Na jejich povrchu panuje extrémně silná gravitace, která z nich tvoří prakticky ideální koule. Přesto na jejich povrchu mohou existovat miniaturní „pohoří“, vysoká jen několik milimetrů. V souvislosti s vysokou rotační rychlostí neutronových hvězd by pak měly být tyto nerovnosti zdrojem gravitačních vln. Pokud neutronové hvězdy těmito vlnami odevzdávají část své energie, měla by se jejich rotace teoreticky zpomalovat. Zachycením jejich gravitačních vln a jejich analýzou se jistě podaří lepší náhled do fyziky těchto zvláštních hvězd.

Hvězdné exploze

Co způsobuje exploze hvězd? Zatímco se některé supermasivní hvězdy hroutí, kolabují a vytvářejí neutronové objekty, z jiných se stávají přímo černé díry. Počítačové simulace sice dokáží napodobit procesy, které v masivních hvězdách probíhají, nedokáží ale počítačový model přivést k explozi. Gravitační vlny slibují nalezení poslední části mozaiky, ze které se vývoj supertěžkých hvězd skládá. Díky jim budou moc vědci v budoucnu stávající modely vylepšit nebo zavrhnout.

Rozpínání vesmíru

Jak rychle se rozpíná náš vesmír? O tom, že k rozpínání vesmíru skutečně dochází, svědčí tzv. červený posuv u vzdálených objektů. Čím větší je vzdálenost mezi námi a těmito zdroji elektromagnetického záření, tím více je zdeformováno spektrum (rozložení jednotlivých komponent) jejich světla. Metoda, kterou konkrétní vzdálenost měříme, je založena na existenci specifického druhu supernov (typu 1a), díky kterým je možné vzdálenosti kalibrovat. Supernovy typu 1a mají totiž teoreticky identické vlastnosti. Platí to pro většinu z nich, bohužel ale ne pro všechny. Odchylky, které pak způsobují chybu v měření vzdáleností, by se mohly díky průzkumu gravitačních vln eieminovat. Gravitační vlny by se mohly stát nezávislým mediem a mohly by pomoci k přesnějšímu měření vesmírných vzdáleností. Stačily by k tomu dostatečně navzájem vzdálené detektory, které umožňují triangulaci (zaměření) zdroje gravitačních vln a z jejich síly vyplývající vzdálenost zdroje.
Od přesnějšího měření vzdáleností je pak už jen malý krok k přesnější definici rozpínání vesmíru.

Raný vesmír

Gravitační vlny by se mohly stát novým „kanálem“, díky kterému budou vědci moci nahlédnout do velice vzdálené minulosti vesmíru. Doposud bylo možno přímo pozorovat jen elektromagnetické záření, které se uvolnilo dlouho po Velkém Třesku. Díky gravitačním vlnám by se mohlo podařit přímo pozorovat následky inflační fáze – enormní expanze vesmíru, která probíhala krátce po jeho vzniku. Právě inflační fáze je jedna z nejtajemnějších jevů, které nám vesmír nabízí k prozkoumání. Rozpínání během ní probíhalo mnohonásobnou rychlostí světla a je důvodem, proč nikdy nemůžeme dohlédnout na konec vesmíru. Pozorujeme totiž vesmír pomocí světla – které je omezeno svou rychlostí, zatímco vesmír se kdysi rozpínal daleko vyšším tempem.

...?...
Velkou neznámou samozřejmě zůstávají všechny ostatní objevy, které si dnes neumíme představit.  Možná díky gravitačním vlnám objevíme nové jevy. Možná vypátráme podstatu temné hmoty, která se v našem vesmíru projevuje pouze svou gravitací.

Objev gravitačních vln otevřel dveře, kterými se nám možná povede vejít do vesmíru. Ta cesta bude nepochybně ještě dlouhá a kamenitá, zároveň ale už dnes svádí Neznámem a slibuje, že odhalí některá dosud nerozluštěná vesmírná tajemství.

Vědci poprvé zachytili gravitační vlny

Signál, na který čekali vědci téměř padesát let, a jehož zveřejnění včera nadchlo odborníky, byl zachycen už v září 2015. Paralelně ho zaregistrovaly oba LIGO-detektory v USA. 

Vědci objevili gravitační vlny, které způsobila vzdálená kolize dvou černých děr. Jev, který je vyvolal, se odehrál už před dlouhou dobou – obě černé díry se nacházejí ve vzdálenosti zhruba 1,3 miliardy světelných let. Jejich hmotnost se odhaduje na 29 a 36 hmotnosti Slunce. Splynuly do jedné větší s hmotností 62 sluncí. Zbylá energie, která odpovídá hmotě tří Sluncí, byla při této masivní katastrofě ve zlomku vteřiny vyzářena ve formě gravitačních vln.

Dvě černé díry, které krouží kolem společného těžiště. Při jejich splynutí do jednoho objektu se během krátké doby uvolní velké množství energie v podobě gravitačních vln. Zdroj: NASA, http://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/images/largesize/PIA17562_hires.jpg

Poprvé v historii bylo pozorováno gravitační „zčeření“ časoprostoru na Zemi - a ne jen úbytek hmoty u vzdálené kosmické katastrofy. Před tímto objevem nebyli vědci ani moc jistí tím, že černé díry s hmotností několika desítek Sluncí reálně existují.

Gravitační vlny

Nedají se přímo porovnávat s elektromagnetickými nebo akustickými vlnami. Gravitační „vlny“ jsou pokřivením geometrie vesmírného prostoru. Předpověděl je Albert Einstein rok poté, co v roce 1915 zveřejnil svou všeobecnou teorii relativity. Jejich existence vyplývá z Einsteinových rovnic a většina vědců je v počátku považovala spíše za matematickou hříčku než za reálný jev.
Podle Einsteinovy teorie, jejíž správnost byla  v poslední stovce let mnohokrát potvrzena, se gravitační vlny při svém pohybu vesmírem  projevují deformací tří prostorových dimenzí a času. Gravitace tak podle Einsteina není pouhou silou, ale vlastností čtyř dimenzionálního systému prostoročasu.
Každá hmota deformuje prostoročas a ovlivňuje tak dráhu ostatních těles. V případě, že se hmotná tělesa urychlují, křiví nejen prostor kolem sebe, ale vysílají také speciální vln, kterým říkáme gravitační. Pohybují se rychlostí světla. Pokřivením prostoru je přitom míněn jev, při kterém se mění vzdálenosti jednotlivých bodů hmotných těles. Původně perfektně kruhový objekt mění například svůj tvar na lehce oválný, aby se pak vrátil do svého původního stavu. Tento jev se dá nejlépe přirovnat k šíření akustických vln. Ty stlačují vzduch, gravitace v určitém časovém úseku stlačuje a deformuje prostor.
Gravitační vlny mohou transportovat obrovské množství energie. Přesto jsou tyto vlny těžko prokazatelné, protože prostor je „pevný“ a na jeho pokřivení je potřeba opravdu enormní množství energie.

Druhy a vlastnosti gravitačních vln

Vlastnosti gravitačních vln (například jejich frekvence) závisí na druhu těles,  které je vyvolaly. Čím těžší je těleso, které vlny vyslalo, tím menší frekvenci mají.
Supernovy vysílají například gravitační vlny s frekvencí až 1000 Hz. Rychle rotující neutronové hvězdy, vysílají vlny s frekvencí 10 – 10 000 Hz. Systémy, které se skládají z neutronové hvězdy, která obíhá černou díru, vydávají gravitační vlny s nižší frekvencí. Ta přímo závisí na dobu vzájemného oběhu obou těles. Čím blíže obě tělesa jsou, tím vyšší frekvenci mají jejich gravitační vlny. Dvojice neutronových hvězd může zpočátku vysílat hlubší frekvence, které se postupně zvyšují až dosáhnou několika set Hz. Supermasivní černé díry, které disponují hmotami 100 000 až několik miliard Sluncí, produkují vlny v oblasti kolem milihertzu. Na podzim pozorovaný jev, při kterém se spojily dvě černé díry s hmotnostmi několika  desítek Sluncí, vyprodukovaly vlny s frekvencí pod 100 Hz.

Nepřímý důkaz gravitačních vln

První nepřímý důkaz gravitačních vln přinesli vědci už v sedmdesátých letech. Astronomové Russel Hulse a Joseph Taylor pozorovali dvě neutronové hvězdy, které kroužily kolem společného těžiště, jejichž vzájemná vzdálenost se neustále zmenšovala. Systém přitom ztrácel přesně tolik energie, kolik předpověděl ve své teorii Albert Einstein. Oba vědci dostali za svůj objev v roce 1993 Nobelovu cenu.

Přímý důkaz gravitačních vln

Z šedesátých let pochází první detektor, který měl gravitační vlny prokázat v přímém experimentu. Jeho autor, Joseph Weber, tvrdil, že vlny skutečně zachytil, výsledky jeho experimentů se ale nepovedlo duplikovat. Měření pomocí cylindrického detektoru byla později považována za chybná.
V sedmdesátých letech vědci začali konstruovat přístroje, které používaly laserové interferometry. Jsou složené ze  dvou, k sobě navzájem kolmo postavených ramen, kterými probíhá laserový paprsek. Přicházející gravitační vlny pak obě ramena deformují různým způsobem, což se projeví na laserem vysílaném paprsku a vytvoří specifický druh signálu.
Technologický skok představují experimenty, které opustí povrch Země, aby pracovaly na oběžné dráze nebo ve větší vzdálenosti od Země. Před několika měsíci odstartovala mise LISA Pathfinder, která má měřit gravitační vlny přímo ve vesmíru. Může odhalit i nízkofrekvenční signály, pocházející ze superhmotných černých děr, které se nacházejí v centrech galaxií.
Paralelně s ní pracují a jsou neustále zdokonalovány pozemské detektory LIGO v USA, Virgo v italském městě Sascina a GEO600 v německém Hanoveru.
Z principu věci se dají na pozemském povrchu zachytit signály mezi 30  3000 Hz. Jediným z experimentů,který zpracovává objekty s nízkou frekvencí gravitačních vln, je experiment „Advanced LIGO“ v USA. Umí zachytit i signál, který má méně než 100 Hz.

Jak probíhal experimentální důkaz gravitačních vln na Advanced LIGO

LiGO zahrnuje dvě observatoře. Jedna z ncih se nachází v Hanfordu, ve státě Washington. Druhá je v Livingstonu, ve státě Luisiana. Jsou tak od sebe vzdáleny 3000 kilometrů. Z porovnání gravitačních vln, které se pohybují přesně danou rychlostí (rychlostí světla), se díky rozdílnému času dopadu na oba detektory dá určit místo, odkud k nám přicházejí. Díky velké vzájemné vzdálenosti se také daří eliminovat některé lokální vlivy, které mohou experiment narušit - například vibrace a zemětřesení.
Observatoře jsou postaveny do tvaru písmene „L“. Délka jednotlivých ramen, ve kterých se pohybují laserové paprsky, je kolem 4  kilometrů. Hanfordský experiment vlastní také druhý interferometr, který je dlouhý 2 kilometry.

Schéma interferometru. Zdroj: von MOBle in der Wikipedia auf Englisch [Public domain], via Wikimedia Commons

„Máme něco jako pravý signál!“

První pozorování měla být experimentem „Advanced LIGO“ provedena 18. září. Vědci ale pozorovali dotyčný signál už 14. září. Věnovali se právě přípravám a testům, když je překvapila čistá a tak dlouho předpovídaná modulace. Mnozí z nich zprvu nevěřili, že je „pravá“ a nejedná se o součást testů.
Analyzátor signálů Marco Drago byl první,  kdo signál zaregistroval. Pracuje v německém Hanoveru, kam počítače předávají výsledky experimentů z USA. Spolu se svým kolegou, Andrewem Lundgrenem se pak snažili provolat na pracoviště LIGO do USA. Tam v té  době panovala hluboká noc, takže žádného ze svých kolegů nezastihli. Skvělou zprávu jim zprostředkovaly až hromadné emaily, které skupina vědců z Německa  rozeslala celému týmu: „Zdá se, že máme něco, co vypadá jako pravý signál.“
Díky počítačovým simulacím vědci vědí, jaký signál mají hledat. Teoretičtí fyzici a analyzátoři mohou vypočítat, co se děje při vzájemné kolizi dvou černých děr. Je proto známo, jaké gravitační vlny systém vysílá a jaké efekty pak při zachycení v pozemském detektoru vyvolají. V průběhu minulých let byly propočítány tisíce možných kosmických katastrof a definovány signatury, kterými by se měly projevit.
Oba detektory, jak v Livingstonu, tak Hanfordu (USA) zaregistrovaly stejný signál. V tomto případě odpovídal systému dvou černých děr, které kolem sebe nejprve krouží, aby pak splynuly do jednoho objektu.

Plány do budoucna

V průběhu dalších experimentů, které se mají konat v září 2016, chtějí vědci pozorovat další typické efekty. Během dalšího roku by chtěli zkoumat hmotnosti různých černých děr. V roce 2034 by měl začít pracovat vesmírný detektor eLISA. Ten bude mít jinou konfiguraci a bude se tak moci koncentrovat na měření gravitačních vln jiných těles – černých děr s tisíci nebo milióny hmotností Slunce, nebo dvojic bílých trpaslíků.

Eros, Vesta a Ceres - největší a nejzajímavější objekty v pásu asteroidů

Pás asteroidů dává na výběr - je vám sympatičtější malá planetka, nebo spíše volnější shluk kamenů? 

Ceres – ledový obr

Největším objektem v pásu asteroidů je trpasličí planetka Ceres. Je zároveň jedinou trpasličí planetkou vnitřního Slunečního systému.
Její hmota se odhaduje na 9,39 × 1020 kg, zhruba jednu šesti tisícinu hmoty Země. Ceres tak je 3,5x hmotnější, než ten největší z ostatních asteroidů.

Porovnání velikostí Měsíce a největších asteroidů. Zdroj: By No machine-readable author provided. PedroPVZ assumed (based on copyright claims). [Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Confronto_Ceres_Lua.jpg

Má téměř kulový tvar s rozměry 963x891 km. Jeden oběh kolem Slunce jí trvá 4,5 roku. Den na Cereru má jen 9 hodin. Obíhá Slunce zhruba uprostřed pásu asteroidů v průměrné vzdálenosti 2,77 AU.
Sonda DAWN, která se aktuálně nachází na její oběžné dráze, zachytila detaily na povrchu planetky. Objevila množství kráterů. Ten největší z nich má průměr 284 kilometrů a leží nedaleko rovníku. Povrch je tvořen jemným prachem, regolitem, bohatým na uhlík. Albedo (odrazivost) planetky je tedy velice malá, zhruba 0,09. Sonda objevila také výrazně světlejší skvrny. Jsou tvořeny ledem.

Zdroj: By NASA, ESA, and A. Feild (STScI) [Public domain], via Wikimedia Commonshttps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ceres_Cutaway.jpg

Hustota planetky je celkem malá – kolem 2 g/cm3. Dá se proto očekávat, že obsahuje hodně vody. V jejím nitru se nachází kamenné jádro, kolem kterého se utvořil plášť z lehčích minerálů a ledu. Teplo, které bylo k rozdělení hmoty nutné, může pocházet z radioaktivního rozpadu izotopu hliníku.
Pokud se Ceses skládá ze 17 – 27 % vody, znamenalo by to, že disponuje zhruba pětinásobným množstvím, než jaké máme k dispozici na Zemi. Z povrchu planetky se navíc uvolňuje vodní pára, jak ukázaly snímky, pořízené teleskopem Herschel. Ze dvou míst na povrchu uniká až 6 kg vodních par za vteřinu.

 Mapa Ceres. Zdroj: von NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA (http://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA19977.jpg) [Public domain], via Wikimedia Commons https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8c/PIA19977-Ceres-CompositionMap-Dawn-20150930.jpg

Celkově je planetka Ceres spíše tristní a nepříjemné místo. Na jejím povrchu panuje ve dne teplota kolem -60 °C. V noci je mráz  samozřejmě vyšší. Tvrdý a zmrzlý led, pokrytý  prachem, je zbrázděn krátery. Výlet na Ceres vám zprostředkuje následující video:
http://www.dlr.de/dlr/Portaldata/1/Resources/videos/2016/Ceres_HAMO_color_dt_600x340.mp4

Vesta – planeta v mini vydání

Dalším markantním zástupcem asteroidů je Vesta. Je velká zhruba 500 km a jeden oběh kolem Slunce jí trvá 3,5 roku. Na jejím povrchu se nachází zbytky lávy a tekutého magmatu, takže to vypadá, jako by byla její hmota hned po samém vzniku tělesa několikrát přetavena. To je dost zvláštní. Na to,  aby měly rozvinutou vulkanickou činnost, jsou totiž asteroidy příliš malé. Vesta se liší od většiny ostatních asteroidů také tím, že má relativně vysoké albedo (odrazivost povrchu).

Vesta, fotografovaná sondou DAWN. Zdroj: von NASA/JPL-Caltech/UCLA/MPS/DLR/IDA ([1], [2]) [Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vesta_from_Dawn,_July_17.jpg?uselang=de

Vesta patří k diferencovaným (rozvrstveným) asteroidům. Vrstvení probíhalo při vysoké teplotě, kterou mohl obstarat například radioaktivní rozpad izotopů hliníku/26. Hmota se rozdělila na lehčí a těžší frakci – těžší části klesly do centra planetky. Vesta vlastní bazaltickou kůru, plášť, který  obsahuje minerály olivíny a kovové, železo-niklové jádro. Má tedy podobnou stavbu jako kamenné planety a tím i naše Země. V pásu asteroidů tvoří výjimku. Je možné, že podobných planetek dříve existovalo více, do dnešní doby se ale uchovala ale jen jedna – Vesta. Ostatní jsme buď zatím neobjevili, nebo už byly zničeny při vzájemných kolizích. Napovídají tomu (na Zemi nalezené) kovové meteority, které jsou nejspíše pozůstatky železných jader dávno zaniklých, diferencovaných asteroidů.
Ani Vestě se nevyhnuly masivní kolize. Na snímcích Hubble teleskopu je vidět několik kráterů s průměrem 150 km. Jeden z nich je dokonce 450 km široký. Tento superkráter dosahuje hloubky 8 km. V jeho centru se nachází hora vysoká úctyhodných 13 km.

 Povrch Vesty. Zdroj: von NASA/JPL-Caltech/ASU (http://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA18788.jpg) [Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PIA18788-VestaAsteroid-GeologicMap-DawnMission-20141117.jpg?uselang=de

Vesta je mateřským tělesem pro meteority skupiny HED (Howardity, Eukrity a Diogenity), které dostaly jméno achondrity. Z povrchu planetky byly pravděpodobně navíc před zhruba miliardou let díky kolizím odděleny tzv. „vestoidy“, malé asteroidy se stejnými vlastnostmi, jaké má Vesta.

Eros – první asteroid, na kterém přistála pozemská sonda
Eros je poměrně malý objekt s rozměry jen 33x13x13 km. Obíhá Slunce v pásu asteroidů – a částečně i uvnitř dráhy Marsu. Jeden oběh mu trvá 1,76 let.

Srovnání velikostí Ceres, Vesty a Eros. Zdroj: By NASA/JPL Image modified by Jcpag2012 [Public domain or Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Eros,_Vesta_and_Ceres_size_comparison.jpg

Je to první asteroid, na kterém přistála pozemská průzkumná sonda. Objevila na jeho povrchu četné krátery a pozůstatky po kolizích s jinými asteroidy. Našla na něm volně ležící kameny a regolit, jemný prach, který je znám z povrchu Měsíce.

Sonda Near. Zdroj: By The original uploader was Pikarl at German Wikipedia (NASA) [Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Near_Eros.jpg

 Sonda NEAR byla součástí programu Discovery (inovativního a na nové technologie zaměřeného vesmírného programu NASA v devadesátých letech).  Odstartovala k pásu asteroidů v roce 1996.  Na místo určení dorazila o tři roky později. První pokus o navedení na oběžnou dráhu asteroidu nevyšel kvůli poruše a následně přerušenému spojení. O rok později se manévr zdařil, takže mohla mise zdárně pokračovat. Fotografovala povrch a zkoumala ho šesti různými přístroji.

Asteroid Eros. Zdroj: By Christine Mouser (NASA/GSFC) [Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Asteroid433eros.jpg

Protože sonda po splnění všech cílů stále ještě fungovala, navedlo ji řídící středisko k povrchu asteroidu. NEAR, která původně nebyla k přistání uzpůsobena, ta udělala z asteroidu Erosu (po Měsíci, Marsu a Venuši) čtvrté vesmírné těleso, na kterém přistála lidmi vyrobený přístroj.  Letos 12. Února to bylo přesně patnáct let od chvíle, kdy sonda dosedla rychlostí kolem 1,5 m/s na jeho povrch. Téměř do poslední chvíle pořizovala snímky, takže nejlepší fotografie měly rozlišení až 1 cm. Kontakt se Zemí měla NEAR i po přistání. Ještě 16 dní od ní řídící středisko dostávalo sporé informace. Poté byl kontakt navždy přerušen.

Pás asteroidů mezi Marsem a Jupiterem

Mezi oběžnými drahami Marsu a Jupiteru se nachází vesmírné vrakoviště. Jak vzniklo a jaké poklady v něm byly nalezeny?

Asteroidy mezi  planetami Mars a Jupiter

Jsou větší než 500 m a všechny mají jedno společné: nacházejí se mezi drahou Marsu a Jupitera. Objeveno jich zatím bylo přes 600 000. Odhadem se v této oblasti musí nacházet několik miliónů větších nebo menších těles. Kromě několika set velkých asteroidů se v této oblasti nacházejí ještě statisíce daleko menších objektů, tzv. meteoroidů.
Starší teorie považovaly objekty za drahou Marsu za výsledek kosmické katastrofy. Kdysi se na tomto místě měla nacházet planeta s poetickým názvem Phaeton. Srážkou s jiným kosmickým tělesem se měla roztříštit na kusy, ze kterých se pak vytvořily dnešní asteroidy.
Dnes víme, že vznikly jinak. Ani když sečteme veškerou jejich hmotu, nedostaneme ani zdaleka takové množství, jaké by bylo potřeba ke vzniku třebas i jen malé planety. Všechny dohromady by nevytvořily ani na daleko menší těleso – Měsíc.
Dnes platná teorie říká, že pás asteroidů vznik z hmoty, ze které se nevytvořila pevná planeta kvůli gravitačnímu vlivu Jupitera. Ten narušil jednu z nejdůležitějších fází – aglomeraci tamní hmoty. V první fázi vzniklo nejspíš několik tuctů asteroidů, které se následně vzájemnými srážkami tříštily do menších a menších objektů.Výsledkem je několik set tisíc menších a 200 asteroidů větších, než 100 km. Podle jejich drah a jiných vlastností se asteroidy dělí do různých skupin. Tyto skupiny jsou zjevně pozůstatky jednotlivých původních velkých těles, ze kterých postupem času a četnými srážkami vznikly.

 Pás asteroidů. Zdroj: By Joshua Doubek [Public domain], via Wikimedia Commons, https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Asteroid_Belt_around_Earth.jpg

Některé asteroidy mají tvar koule. Jedná se přitom o větší objekty, které mají zpravidla průměr větší než 160 km. Menší objekty totiž  nemají dostatečně velkou gravitaci, takže se nemohou samy od sebe „zakulatit“. U těch pozorujeme většinou  více či méně „bramborovitý“ tvar. Poměrně rychle (v rozmezí několik až několika desítek hodin) rotují kolem své vlastní osy. Jejich povrch je zpravidla posetý krátery, pocházejícími ze vzájemných srážek s meteoroidy. Neozbrojeným okem asteroidy zpravidla vidět nemůžeme. Výjimku tvoří jen Ceres, největší z nich. Proto byla tato tělesa objevena až v 19. Století, s příchodem větších a lepších teleskopů. Ani dnes neznáme zdaleka všechny.

Asteroidy ve Sluneční soustavě

Díky kolizím, ke kterým občas mezi asteroidy dochází dodnes, se mohou  jednotlivé objekty z pásu asteroidů vymanit – a mohou se pak vydat na cestu do Slunečního systému.
Některé z nich se mohou dostat na eliptickou dráhu, která kříží dráhu naší planety. Mohou nám být potenciálně nebezpečné – je známo, že srážky Země s asteroidy vedly na Zemi v minulosti nejméně pětkrát ke globálním katastrofám.
Obzvláště velké objekty jsou proto katalogizovány, jejich dráhy jsou neustále sledovány a znovu a znovu propočítávány. Reálné nebezpečí, které od nich hrozí, je oceněno tzv. „turínskou stupnicí“.

Turínská stupnice

Její jednotlivé stupně jsou pro názornost označeny barvami: bílá, zelená, žlutá, oranžová, červená.
ŽÁDNÉ NEBEZPEČÍ (bílá)
Stupeň 0
Pravděpodobnost srážky je nulová nebo je tak malá, že jí lze považovat za nulovou. Týká se také malých objektů jako meteory a tělesa, která shoří v atmosféře, stejně jako řídký případ meteoritů, které dopadnou na zem a jen vzácně způsobí škody.
NORMÁLNÍ (zelená)
Stupeň 1
Běžný objekt, jehož blízký průlet kolem Země představuje neobvyklé riziko. Současné výpočty udávají, že pravděpodobnost srážky je velice malá a není důvod znepokojovat veřejnost. Nová pozorování nejspíše povedou k přeřazení na stupeň 0.
VYŽADUJE POZORNOST ASTRONOMŮ (žlutá)
Stupeň 2
Objekt, který se přibližuje, avšak takový průlet kolem Země není úplně neobvyklý. Zasluhuje pozornost astronomů, není však důvod znepokojovat veřejnost, protože skutečná srážka je nepravděpodobná. Nová pozorování nejspíše povedou k přeřazení na stupeň 0.
Stupeň 3
Blízké přiblížení, vyžaduje pozornost astronomů. Současné výpočty udávají 1% a větší pravděpodobnost srážky schopné vyvolat lokální katastrofu. Nová pozorování nejspíše povedou k přeřazení na stupeň 0. Pozornost veřejnosti je přivolána pokud průlet nastane do 10 let.
Stupeň 4
Blízké přiblížení, vyžaduje pozornost astronomů. Současné výpočty udávají 1% a větší pravděpodobnost srážky schopné vyvolat regionální katastrofu. Nová pozorování nejspíše povedou k přeřazení na stupeň 0. Pozornost veřejnosti je přivolána pokud průlet nastane do 10 let.
HROZBA (oranžová)
Stupeň 5
Blízké přiblížení, které představuje vážnou, avšak stále nepotvrzenou hrozbu regionální katastrofy. Kritická pozornost astronomů je potřeba pro nezvratné určení, zda srážka nastane nebo ne. Pokud má přiblížení nastat do 10 let, vládní úřady by měly být varovány.
Stupeň 6
Blízké přiblížení, které představuje vážnou, avšak stále nepotvrzenou hrozbu celosvětové katastrofy. Kritická pozornost astronomů je potřeba pro nezvratné určení, zda srážka nastane nebo ne. Pokud má přiblížení nastat do 30 let, vládní úřady by měly být varovány.
Stupeň 7
Velmi blízké přiblížení velkého objektu. Pokud má nastat v tomto století, představuje nebývalou, ale stále nejistou hrozbu celosvětové katastrofy. Pro takovou hrozbu v tomto století, mezinárodní společenství by mělo být varováno, zvláště za účelem naléhavého a nezvratného určení, zda srážka nastane nebo ne.
JISTOTA SRÁŽKY (červená)
Stupeň 8
Jistá srážka schopná způsobit lokální katastrofu při dopadu na pevninu nebo tsunami při dopadu blízko pobřeží. Taková událost nastává průměrně mezi jednou za 50 let, až jednou za několik tisíc let.
Stupň 9
 Jistá srážka schopná způsobit regionální katastrofu při dopadu na pevninu nebo velká tsunami při dopadu do oceánu. Taková událost nastává průměrně mezi jednou za 10 000 let, až jednou za 100 000 let.
Stupeň 10
Jistá srážka schopná způsobit celosvětovou katastrofu, která může ohrozit celou civilizaci, ať již zasáhne pevninu nebo oceán. Taková událost nastává průměrně jednou za 100 000 let nebo méně často.
Jaké aktuální a reálné nebezpečí nám tedy opravdu hrozí od asteroidů? Naštěstí není moc velké. Dosud nejvyšší stupeň č. 4 měla až do roku 2012 planetka Apophis. Další planetka 2004 VD17 dosáhla stupně č. 2, celá řada objektů dosáhla stupně č. 1. Všechny však byly později sníženy na stupeň  0.

Apophis - potká nás stejný osud jako dinosaury?

Za potenciálně nejnebezpečnější asteroid je momentálně považován Apophis. Kolem Slunce oběhne jednou za 334 dní. Dvakrát přitom kříží dráhu Země a dostává se tak občas do její bezprostřední blízkosti.
Na základě pozorované hvězdné velikosti ve viditelné oblasti spektra a předpokládaného albeda byl průměr asteroidu Apophis odhadnut na 410 m. Z pozorování v infračervené části spektra vychází průměr o něco menší, zhruba 320 m. Žádná mapa povrchu dosud neexistuje a ani jeho chemické složení zatím není známé. Fotografie o asteroidu moc informací nepřinesou, protože se na nich většinou objevuje jen jako nepatrná, světlá tečka.

Při srážce Země s tímto, několik set metrů velkým, asteroidem by se uvolnila energie odpovídající 900 megatunám TNT. Pro srovnání – největší, lidstvem způsobená exploze (car-bomba, vodíková puma SSSR) měla ekvivalent 50 megatun TNT.
Situace a poškození by byly srovnatelné se zemětřesením stupně 8,0.
Škody, které by srážka způsobila, by záležely na oblasti, kam, asteroid dopadne. Pokud by cílem byla pevnina, zničil by jen oblast několika set kilometrů od epicentra. Při dopadu do oceánu  by naopak vznikly obří tsunami, vlny, které by zdevastovaly daleko větší území – pobřežní pásmo postiženého oceánu. Jejich výška by se mohla pohybovat od 30 do 100 metrů.
Jakkoliv by byla podobná srážka dramatická, nedá se srovnat s katastrofou, která v dávné minulosti nechala vymřít dinosaury. Srážka, která by vyvolala globální zkázu planety, by musela mít 100x větší energii, než jaká se může vyvinout při srážce s tělesem o velikosti asteroidu Apophis.
Aktuálně z něj strach mít nemusíme. Pro další dva blízké průlety v roce 2029 a 2036 byl tento asteroid zařazen na stupeň 0 na turínské stupnici.

Trojané - průvodci planet

Asteroidy nacházíme poměrně často v tzv. lagrangeových bodech na drahách jednotlivých planet. Není divu – v těchto oblastech se ruší vzájemně gravitace dotyčné planety a Slunce. Tělesa, které se sem jednou dostala, se už nemohou sama a bez přídavných zdrojů energie z těchto oblastí vzdálit.
Asteroidům, uvízlým v langrangeových bodech, se říká Trojané. Nejsou pro příslušnou planetu nebezpeční právě proto, že jsou pevně ukotveni v její gravitační pasti.
Typicky se nacházejí trojané na stejné oběžné dráze jako sama planeta, předbíhají ji ale o 60 úhlových stupňů nebo se za ní na její oběžné dráze o 60 stupňů opožďují.  
Asteroidy jsou často zachycovány také v přímém gravitačním vlivem planet. Rekrutují se pak z nich jejich měsíce. Patří k nim jak Marsovi souputníci Phobos a Deimos, tak většina Jupiterových (55 ze 63) měsíců a některé měsíce Saturnu a Uranu a Neptunu.

Proč je v noci tma?

Proč je v noci tma? Proč na nebi nezáří nekonečné množství hvězd, když jsme součástí nekonečného vesmíru? Moderní věda nabízí hned tři vysvětlení jevu, který v bezesných nocích zaměstnával celé generace našich předků. 

Zdrojem světla na Zemi je Slunce. Díky tomu, že se Země otáčí kolem své osy, dostává světlo a tím i potřebnou energii střídavě celý zemský povrch. Slunce zdánlivě putuje po nebi poté, co vyšlo na východním obzoru. Když zapadlo za západním obzorem, Sluneční světlo mizí. Na obloze zůstávají jen tisíce hvězd. 

Ty jsou podobné Slunci – jsou jen hodně vzdálené, takže se jejich světlo zdá mnohem slabší. Ve vesmíru je jich ale obrovské množství – a vesmír je přeci nekonečný! V nekonečném vesmíru by tedy mělo existovat nekonečné množství hvězd, které zaplní každý centimetr oblohy. Ta by pak měla teoreticky celá zářit podobně jako naše Slunce. Jak to, že nic podobného nepozorujeme? Proč je v noci tma?

Když probíhala v roce 1610 debata o tom, zda je možné, aby vesmír nekonečný, byl to Johannes Keppler, kdo proti nekonečnosti vesmíru argumentoval právě noční tmou. Kdyby na nebi bylo nekonečné množství hvězd, muselo by celé zářit a i v noci by muselo být takové světlo jako ve dne. Pro tehdejší fyziku byl tento argument nevyvratitelný.  

Dnes vidíme situaci trochu jinak. Jevu se dnes říká „Olbersův paradox“. Heinrich Olbers totiž v roce 1823 otázku znovu oživil. S novými znalostmi, konkrétně s objevem mezihvězdného plynu a prachu, nabídl i nové vysvětlení temné noční oblohy. „Oblaka mezihvězdné hmoty mohou světlo hvězd pohlcovat a tím odstínit“, byl jeho argument.

Dnes víme, i on se mýlil.  Je jen logické, že mezihvězdný prach by se pohlcováním světla hvězd musel nahřívat, a to až do té míry, že by sám začal zářit. Nakonec by tedy i plyn a prach musel k osvětlení našeho nočního nebe přispět, nikoliv ho snížit.

Počátkem 20. století, po objevu galaxie v Andromedě,  věda musela a znovu začít řešit dávno položenou otázku. Ukázalo se, že Vesmír není jen naše Mléčná dráha, obklopená obrovským prázdným prostorem. Vesmír je naopak obrovský prostor protkaný sítí hmoty, která se shlukuje do nespočetných galaxií, shluků galaxií a ještě větších útvarů, dnes nazývaných filamenty. Zářící hvězdy sice nejsou ve Vesmíru rozloženy pravidelně, v podstatě na tom ale nezáleží. V nekonečném vesmíru by přeci mělo existovat nekonečné množství galaxií, které by měly vyplnit každý kousek nebe. Jak to, že naše noční nebe nezáří stejně jako Slunce?

Odpověď na tuto otázku je zároveň jednoduchá i složitá.

Velikost vesmíru a jeho rozpínání

Náš pohled na nebe je pohledem no blízkého okolí. Dohlédneme jen tak daleko, jak je vesmír starý. Tento zvláštní jev je způsoben konečnou a konstantní rychlostí světla.

Světlo je nejrychlejším způsobem, jakým se dá v našem vesmíru přenášet informace. Ostatní částice, například i částice hmoty se mohou pohybovat maximálně touto (v našem Vesmíru platnou maximální) rychlostí.

Vesmír je starý zhruba 14 miliard let. Nejstarší světlo tedy může být staré zhruba 14 miliard let. Nejstarší a tím i nejvzdálenější informace, kterou můžeme na Zemi dostat, je proto stará a vzdálená 14 miliard (světelných) let. Všechno, co se ve vesmíru nachází ve větší vzdálenosti – je pro nás nepostřehnutelné.

Rozluštění hádanky tedy spočívá právě v tom, že se vesmír rozpíná, a to v každém svém bodě. Hodně vzdálené body se proto mohou navzájem vzdalovat větší rychlostí, než je rychlost světla. Hodně vzdálené hvězdy patří k té části vesmíru, kterou nikdy neuvidíme. Zmizela z našeho zorného pole, protože světlo, které k nám vysílají, putuje naším směrem menší rychlostí, než jakou jej od nás odnáší mezi námi právě nově vzniklý prostor.

I kdyby byl vesmír vyplněn nekonečným množstvím hvězd, z tohoto důvodu nebudeme nikdy vidět všechny – a už z tohoto důvodu budou na nebi vždy pozorovány oblasti, které nevyzařují žádné světlo.

Životnost hvězd

Teze, která předpokládá, že nekonečné množství hvězd musí vyplnit každý čtvereční centimetr nebe zářením, předpokládá zároveň, že hvězdy „žijí“ nekonečně dlouhou dobu beze změny. Realita je ovšem jiná. Hvězdy absolvují během svého vývoje řadu proměn, jejich záření kolísá a po uplynutí přesně dané doby končí svou kariéru, vybuchnou nebo poklidně vyhasnou.

Právě hodně hmotné a hodně zářivé hvězdy, které by mohly nejvíce osvětlit naše noční nebe, „žijí“ jen relativně krátkou dobu. Je tedy dobře možné, že se na osvětlování nočního nebe v minulosti už podílely a dnes jsou vyhaslé. I z tohoto důvodu nemůže být nikdy noční nebe jednolitě světlé a musí vykazovat oblasti, ze kterých k nám žádné světlo nepřichází.

Počet hvězd

Teorie zářivého nebe počítá s nekonečným vesmírem, ve kterém existuje nekonečné množství hvězd. Ve skutečnosti je počet hvězd ve vesmíru omezený. Vesmír je sice nekonečný, protože se neustále rozpíná, zároveň je v něm ale omezené množství hmoty, která se díky rozpínání  bez přestání ředí.

Je sice pravda, že neustále vznikají nové hvězdy, jejich množství ale už delší dobu klesá. Vědci odhadují, že maximální intenzita tvorby hvězd proběhla v prvních miliardách let po velkém třesku.

Nejen, že na našem nebi nemůžeme vidět nekonečné množství hvězd - postupem doby bude hvězd nadále ubývat.

A je v noci vůbec tma?

Tři výše zmíněné logické argumenty vysvětlují, proč je noční nebe temné. Následující otázka je tedy opravdu provokativní: „ Je vůbec v noci tma?“

Přísně vzato – noční nebe vůbec není tmavé, rozhodně ne ve všech oblastech spektra.

Elektromagnetické záření, ke kterému patří i viditelné světlo, může zahrnovat fotony s různou vlnovou délkou. Právě v oblasti s vlnovou délkou kolem jednoho milimetru je noční nebe kompletně vyplněno zářením. Tzv. „reliktní záření“ je pozůstatkem Velkého třesku. Díky rozpínání vesmíru se záření, které před zhruba 14 miliardami let vyplňovalo celý vesmír, ochladilo z původních 3000 K (stupňů Kelvina) na dnešních 2,7 K. Dnes je „vidět“ jen ve speciálních teleskopech, které umějí zaregistrovat právě tyto vlnové délky. Tma nočního nebe je tedy, stejně jako mnohé v naší realitě - relativní.

Na nočním nebi vidíme zhruba 6000 hvězd (3000 na severní a 3000 na jižní polokouli). Jsou od nás vzdáleny zpravidla jen několik set světelných let. Pokud chceme zahlédnout hvězdy vzdálenější, musíme ozbrojit své oči teleskopy. A je to možná dobře. Vesmír by jistě nebyl tak napínavou záležitostí, kdyby nebylo tak těžké odhalovat jeho tajemství.