Co se odehrávalo v prvních okamžicích po velkém třesku? Kdy a jak začaly vznikat první hvězdy a galaxie? To jsou některé z otázek, na které mají odpovědět astronomické družice Planck a Herschel. Pokud všechno půjde podle plánu, vynese je příští čtvrtek společně do vesmíru raketa Ariane 5 z kosmodromu Kourou ve Francouzské Guyaně.
Astronomové se na zahájení jejich mise těší už dlouho. Původně bylo naplánováno na červenec loňského roku, ale vývoj některých přístrojů se protáhl. Také nad letošním startem visel donedávna otazník. Ohlášený termín 6. května byl před několika týdny odložen.
„U jiné rakety Ariane 5 totiž technici našli poruchu na jedné části řídicího systému a vyvstala otázka, zda stejná závada nemůže být na všech výrobcích tohoto druhu – tedy i na raketě, která měla vynést obě družice,“ vysvětluje Antonín Vítek, odborník na kosmonautiku z Akademie věd ČR. „Proto bylo zapotřebí dalších testů, které takovou možnost vyloučily,“ dodává český expert.
Pokud by šlo o rutinní záležitost, jako je vynášení komunikačních satelitů na oběžnou dráhu Země, obešel by se start patrně bez tohoto opatření. Ale v případě unikátních vědeckých družic, jejichž hodnota se blíží dvěma miliardám eur, nechtějí technici ponechat nic náhodě.
Při samotném startu budou družice „sedět“ v řadě za sebou v útrobách rakety. Zhruba po půlhodině společného letu se oddělí Herschel a o několik minut později také Planck.
Výhodné umístění Pak už se každá zvlášť vydají na několikaměsíční cestu ke svému cíli: na speciální dráhu kolem tzv. libračního bodu L2. Tento bod se nachází přesně na opačné straně od Země než Slunce, ve vzdálenosti 1,5 milionu kilometrů od naší planety. Je jedním z několika bodů, ve kterých se vyrovnává působení gravitační síly Slunce a Země, proto se mu říká rovnovážný bod. Umístění družic v jeho blízkosti má několik výhod.
Oba dalekohledy mají sledovat velice chladné záření, jehož teplota se blíží absolutní nule. Proto i samotné přístroje jsou chlazeny na podobnou teplotu pomocí supratekutého helia. „Pokud by měly vyšší teplotu, záření jich samotných by překrylo záření, které mají měřit,“ vysvětluje Antonín Vítek. Tudíž je nutné odstínit také paprsky ze Slunce a odražené světlo ze Země a Měsíce pomocí speciální clony. Při pohledu z bodu L2 se všechna tři tělesa nacházejí stále stejným směrem, takže se před nimi družice snáz schovají.
„Další výhodou je, že družice zůstanou vůči Zemi na jenom místě a ve stejné vzdálenosti, což usnadní přenos dat,“ podotýká Antonín Vítek. Naměřené údaje bude přijímat rádiová stanice Evropské kosmické agentury New Norcia v Západní Austrálii.
Aby oba přístroje zůstaly na dráze kolem rovnovážného bodu, musí se občas zažehnout trysky, které dráhu korigují. Až skončí životnost družic, bez korekcí dříve nebo později z dráhy vylétnou a zmizí v hlubinách sluneční soustavy. Ani v případě, že se do stejných míst v budoucnu umístí další družice, tedy nehrozí žádná „dopravní zácpa“.
Co se skrývá v prachu Družice Herschel ponese na palubě vůbec největší dalekohled, jaký se zatím do vesmíru dostal. Jeho průměr činí 3,5 metru (oproti 2,4 metrům na slavném Hubbleově kosmickém dalekohledu na oběžné dráze kolem Země). Za několik let ho ovšem „trumfne“ Hubbleův infračervený nástupce, kosmický teleskop Jamese Webba – jeho zrcadlo složené z 18 menších částí dosáhne celkového průměru 6,5 metru.
Nicméně i výroba zrcadla pro Herschela byla náročným úkolem: musí bezpečně odolat vysokým teplotám během startu i extrémnímu mrazu ve vesmíru. Nerovnosti na jeho povrchu přitom nesmí přesáhnout tisícinu milimetru. Během broušení a leštění sklo „zhublo“ z původních 720 na pouhých 240 kilogramů.
Dalekohled bude pracovat v infračervené části spektra, podobně jako jeho předchůdci – evropský IRAS a ISO, americký Spitzer a japonský Akari. Pozorovat vesmír v těchto vlnových délkách ze Země je problematické, protože atmosféra většinu infračerveného záření pohlcuje nebo rozptyluje. Proto se za ním astronomové musejí vydávat do kosmu.
„Herschel se ovšem zaměří na delší vlnové délky než ostatní infračervené družice včetně plánovaného Jamese Webba,“ vysvětluje Antonín Vítek. Díky tomu uvidí dál než ony.
Hlavní výhodou infračerveného záření totiž je, že na rozdíl od viditelného světla proniká i prachovými mračny. „Čím delší vlnovou délku zvolíme, tím méně ji prach pohlcuje, takže s její pomocí dohlédneme dál do hlubin vesmíru a tím i dál do minulosti,“ upřesňuje Antonín Vítek.
Proto se astronomové těší, že jim Herschel umožní studovat vzdálené hvězdy a galaxie v raných fázích vzniku, jen několik stovek milionů let po velkém třesku. Zaměří se také na mračna mezihvězdného plynu i na prachové disky, ze kterých se rodí hvězdy a planety.
To ale nebude jediným úkolem této družice. Na palubě ponese také spektrometry, s jejichž pomocí podrobně prozkoumá atmosféry planet ve sluneční soustavě.
Nový pohled na velký třesk Hlavním posláním družice Planck je podrobný výzkum reliktního neboli zbytkového záření, které se dochovalo z dob raného vesmíru. Těsně po velkém třesku byly částice spojené se zářením. Zhruba po 380 000 tisících let se do té doby volné elektrony staly součástí atomů vodíku a záření se uvolnilo, aby dodnes bloudilo vesmírem. Dnes má vlnovou délku mikrovln a teplotu pouhých 2,725 K, tedy necelé tři stupně nad absolutní nulou termodynamické škály.
Výzkumem reliktního záření se zabývalo už několik předchozích družic. „Vůbec první byl ruský Prognoz 9, který startoval v roce 1983, a jeden z jeho přístrojů Relikt 1 měřil právě reliktní záření – ovšem zdaleka ne tak dokonale jako pozdější přístroje,“ říká Antonín Vítek.
Průlom přinesla v roce 1989 americká sonda COBE, která jako první zmapovala celou oblohu v oblasti mikrovln. Vědci s její pomocí zjistili, že reliktní záření je víceméně izotropní, tedy že má ve všech částech kosmu téměř stejnou teplotu, a tudíž pochází ze stejného zdroje – tím potvrdili teorii velkého třesku.
Zároveň se ale už v datech z COBE objevily první náznaky, že teplota zbytkového záření z různých směrů přece jen nepatrně kolísá. Před třemi lety dostali autoři tohoto objevu, John Mather a George Smoot, Nobelovu cenu za fyziku.
Na výzkum těchto odchylek (anizoptropie) se v roce 2001 zaměřila další americká sonda WMAP. Kromě jiného naznačila, že veškerá hmota, kterou můžeme běžným způsobem pozorovat, tvoří pouhá čtyři procenta vesmíru. Zbytek připadá na dosud záhadnou temnou energii a temnou hmotu.
Sonda WMAP dokázala změřit rozdíly v teplotě zbytkového záření s přesností setiny Kelvinu. Družice Planck je mnohem dokonalejší. Její hlavní výbavou je dánské zrcadlo o průměru 1,5 metru, vyrobené z plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny a potažené odrazivou hliníkovou vrstvou. Díky němu a citlivým detektorům družice rozpozná teplotní odchylky v reliktním záření v řádu pouhé miliontiny stupně.
„Naše přístroje by teoreticky ze Země zachytily teplotu vyzařovanou králíkem na Měsíci,“ stojí v tiskovém prohlášení Evropské kosmické agentury. Tudíž by Planck měl měření svých předchůdců zásadním způsobem upřesnit.
Kromě toho odborníci doufají, že jim pomůže potvrdit, či vyvrátit teorii o inflaci vesmíru, tedy o rychlém rozpínání krátce po jeho vzniku, a stanovit současnou rychlost rozpínání vesmíru. Dále se má zaměřit například na hledání teoreticky předpokládaných „defektů“ v časoprostoru, jako jsou kosmické struny.
Šance pro Čechy Vzhledem k tomu, že se Česká republika vloni stala členem Evropské kosmické agentury, nabízí se také šance pro české astronomy, aby se podíleli na analýze údajů, které sondy naměří. „Vědci, kteří se podíleli na samotném vývoji jednotlivých přístrojů, mívají obvykle jakési předkupní právo, které většinou trvá rok. Potom se ale data uvolní i pro ostatní,“ říká Antonín Vítek.
„Dá se předpokládat, že hlavní objevy takříkajíc spadnou do klína autorům přístrojů, ale i později se v datech dají najít zajímavé souvislosti. Statistické analýzy a globálnější pohled na věc mohou vést k překvapivým zjištěním, protože někdy – jak se lidově říká – pro stromy nevidíte les,“ uzavírá český odborník.
***
hmotnost při startu: 3400 kg
rozměry: 7,5 m x 4 m x 4 m
průměr zrcadla: 3,5 m
pozorovací vlnová délka: 55 až 672 mikrometrů
délka mise: 3 roky
celkové náklady: 1 miliarda eur
hlavní cíl: výzkum raných hvězd
a galaxií
hmotnost při startu: 1950 kg
rozměry: 4,2 m x 4,2 m x 4,2 m
průměr zrcadla: 1,5 m
pozorovací vlnová délka: 0,3 až 11,1 milimetrů
délka mise: 15 měsíců s možností
prodloužení o další rok
celkové náklady: 700 milionů eur
hlavní cíl: výzkum reliktního
L2 záření
1 dalekohled
2 primární zrcadlo
dalekohledu
3 sluneční clona
4 přístroje
v ohniskové rovině
5 tepelné štíty
6 služební modul
7 sluneční baterie
1 sluneční clona
2 dalekohled
3 termostat
4 služební modul
Během broušení a leštění zrcadlo dalekohledu „zhublo“ z původních 720 na pouhých 240 kilogramů
Hlavní výhodou infračerveného záření je, že na rozdíl od viditelného světla prochází i prachem
Dva pasažéři v jedné raketě
Unikátní start dvou astronomických přístrojů naplánovala na příští týden Evropská kosmická agentura (ESA). Pošle do vesmíru družice Herschel a Planck, které vědcům napovědí, jak se vyvíjel vesmír krátce po svém vzniku. Herschel bude pracovat v infračerveném světle, Planck v oblasti mikrovln.
Ariane 5 vynese oba satelity b t lit najednou ve speciálně upraveném prostoru pod aerodynamickým krytem
Herschel satelit je pojmenován podle Williama Herschela (1738 - 1822), britského astronoma německého původu, který v roce 1800 prokázal existenci infračerveného záření
V soustavě Země - Slunce existuje pět rovnovážných bodů, v nichž se vyrovnává gravitační a odstředivá síla obou těles. Družice budou obíhat kolem rovnovážného bodu L2, který se nachází opačným směrem od Země než Slunce.
Planck satelit je pojmenován podle německého fyzika Maxe Plancka (1858 – 1947), jednoho ze zakladatelů kvantové fyziky
O autorovi| Eva Vlčková, redaktorka LN
