| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Planck – první výsledky II
Petr Kulhánek
Mikrovlnná observatoř Planck je primárně určena pro výzkum reliktního zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí).. Na výsledky harmonické analýzyHarmonická analýza – rozklad signálu do násobků základní frekvence. Z harmonické analýzy lze určit mnoho informací o zdroji a vlastnostech signálu. U reliktního záření jde o zjištění zastoupení různě velikých fluktuací na obloze. fluktuací reliktního záření si ale budeme muset ještě nějaký čas počkat. Po roce a půl činnosti sondy Planck je ale k dispozici řada jiných významných souborů dat a objevů, ze kterých je patrné, že sonda Planck je klenotem současné mikrovlnné astronomie. V druhé části tohoto přehledu se seznámíme s katalogem kompaktních mikrovlnných objektů, s objevy velmi vzdálených galaktických kup a s novými pohledy na naší Galaxii – Mléčnou dráhu.
|
ESA – European Space Agency, Evropská kosmická agentura. ESA spojuje úsilí 18 evropských zemí na poli kosmického výzkumu. Centrální sídlo je v Paříži, pobočky jsou v mnoha členských zemích. ESA byla založena v roce 1964 jako přímý následovník organizací ESRO a ELDO. Nejznámější nosnou raketou využívanou ESA je Ariane. Česká republika vstoupila do ESA v listopadu 2008. Ariane – nosná raketa využívaná Evropskou kosmickou agenturou. Její název pochází z francouzského přepisu jména mytologické postavy Ariadne. Nosič byl vyvíjen od 70. let dvacátého století. První úspěšný start Ariane 1 proběhl v roce 1979. Poslední využívaná varianta je nosič Ariane 5 ECA s výškou 59 metrů, průměrem 5,4 metru, celkovou hmotností 770 tun a užitečným nákladem 10 tun. Tento nosič vynesl na orbitu například dalekohled Jamese Webba. Poslední start rakety proběhl 6. července 2023. Připravuje se další verze rakety, Ariane 6. Starty probíhají z kosmodromu Guyanského kosmického centra v blízkosti Kourou ve Francouzské Guyaně. Planck – mikrovlnná observatoř evropské kosmické agentury ESA, která byla vynesena do vesmíru 14. května 2009. Byla určena k výzkumu fluktuací reliktního záření a monitorování vesmíru v mikrovlnné oblasti. Měla úhlovou rozlišovací schopnost 5′ a teplotní citlivost 2 μK. Oblohu snímkovala v devíti frekvenčních pásmech od 30 do 857 GHz (0,2 až 10 mm). Zrcadlo sondy mělo rozměry 1,9×1,5 m. Teplotu vysokofrekvenční části ohniska se podařilo po dobu dvou let udržet na extrémně nízké hodnotě 0,1 K. Činnost sondy byla ukončena v říjnu 2013. Sunjajevův-Zeldovičův jev – výsledek vzájemného ovlivnění vysoce energetických elektronů s fotony reliktního záření prostřednictvím inverzního Comptonova rozptylu. Nízkoenergetické mikrovlnné fotony reliktního záření získávají energii při průletu horkým mezigalaktickým plynem v kupě a tuto změnu lze rozpoznat ve spektru. |
Katalog kompaktních objektů (CSC)
Dne 11. ledna, roku 11 v 11 hodin byl symbolicky předán odborné i laické veřejnosti předběžný katalog kompaktních objektů pozorovaných sondou Planck v mikrovlnné oblasti (30 až 857 GHz). Katalog je založen na pozorování sondy v období mezi 13. srpnem 2009 až 6. červnem 2010 (tedy dominantně na první přehlídce) a čítá 15 000 objektů jak z naší Mléčné dráhy, tak z míst mimo naši Galaxii. Jde o předběžný katalog s označením ERCSC (Early Release Compact Source Catalogue), s finální verzí katalogu pod elegantnějším názvem CSC (Compact Source Catalogue) se počítá až v roce 2013. Již z předběžné verze je ale zjevné, že jde o mimořádný počin. Pokud bude některé pracoviště chtít v budoucnosti najít vhodný objekt pro pozorovací program v mikrovlnné oblasti, nepochybně bude hledat vhodné kandidáty na výzkum právě v unikátním katalogu CSC. Předběžná verze katalogu je dostupná na internetové stránce www.rssd.esa.int/Planck, ze které si můžete spustit JAVA aplikaci určenou pro práci s katalogem. Pokud se nechcete zdržovat úvodními stránkami, spusťte si rovnou přístupovou aplikaci na adrese http://pla.esac.esa.int/pla/pla.jnlp. Na úvodní obrazovce si můžete vybrat buď jednu z devíti frekvencí, na kterých probíhalo měření, nebo jen chladná galaktická jádra či kupy galaxií objevené na základě Sunjajevova-Zeldovičova jevuSunjajevův-Zeldovičův jev – výsledek vzájemného ovlivnění vysoce energetických elektronů s fotony reliktního záření prostřednictvím inverzního Comptonova rozptylu. Nízkoenergetické mikrovlnné fotony reliktního záření získávají energii při průletu horkým mezigalaktickým plynem v kupě a tuto změnu lze rozpoznat ve spektru.. Dále zadáte rozsah souřadnic, ve kterých Vás objekty zajímají a katalog vypíše seznam všech nalezených objektů. Zatrhnete si ty, které Vás zajímají a získáte o nich dostupné informace, pořízené fotografie a jejich polohu na interaktivní mapě. Prostředí je intuitivní a uživatelsky velmi příjemné.
Obr. 1. Uživatelské rozhraní předběžného CSC katalogu.
Obr. 2. Předběžný CSC katalog, kompaktní objekty v naší Galaxii.
Obr. 3. Předběžný CSC katalog, mimogalaktické kompaktní objekty. Nejjasnějším objektem (vpravo dole) je Velké Magellanovo mračnoLMC – Large Magellanic Cloud, Velké Magellanovo mračno. Trpasličí souputník naší Galaxie ve vzdálenosti 180 000 l.y. Jde o nádherný objekt viditelný spolu s Malým Magellanovým mračnem na jižní obloze.. V oblasti roviny Galaxie nebylo možné mimogalaktické objekty detekovat.
Důležitým počinem je samotné vytvoření katalogu, který umožňuje statistické zpracování údajů o mikrovlnných kvazarechKvazar – objekty objevené v roce 1963, mají malé úhlové rozměry (<1″) a obrovský zářivý výkon v celém spektru (1035 až 1040 W). Kvazary se nacházejí ve velkých kosmologických vzdálenostech, jejich světlo je poznamenáno rozpínáním vesmíru a spektrum je výrazně posunuté k červenému konci. Energetická bilance odpovídá vyzařování celých galaxií. Jde o zárodky budoucích galaxií, v jejichž středu se nachází obří černá díra s charakteristickým výtryskem hmoty., blazarechBlazar – nejenergetičtější skupina galaxií s kompaktním aktivním jádrem. Buď jde o rychle proměnné kvazary OVV (Optically Violently Variable) nebo o proměnné galaxie typu BL Lacertae., galaxiíchGalaxie – kompaktní seskupení hvězd, hvězdných asociací, otevřených a kulových hvězdokup, mezihvězdné látky a temné hmoty. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, aktivní, rádiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je udávána v miliardách až stovkách miliard hmotností Slunce. Galaxie jsou obvykle součástmi vyšších celků, jako jsou kupy, nadkupy, vlákna a stěny. V centrech většiny galaxií se nacházejí obří černé díry. a dalších objektech. Některé zdroje jsou plošné, u některých nedokážeme zatím rozlišit žádné detaily a hovoříme o nich jako o bodových zdrojích. Část mikrovlnných zdrojů známe již z minulosti z katalogu infračervené družice IRASIRAS PSC Redshift Survey (PSCz) – přehlídka červených posuvů 15 000 galaxií zachycených v katalogu bodových zdrojů IRAS Point Source Catalogue. Přehlídka zahrnuje více jak 83 % oblohy, jde o nejrozsáhlejší celooblohovou přehlídku, která v současnosti existuje. Pozorování probíhala na několika přístrojích v letech 1992 – 1995. . V blízkých galaxiích byl nalezen chladný rotující prach, jehož teplota nepřesáhne 10 K. Ve Velkém Magellanově mračnuLMC – Large Magellanic Cloud, Velké Magellanovo mračno. Trpasličí souputník naší Galaxie ve vzdálenosti 180 000 l.y. Jde o nádherný objekt viditelný spolu s Malým Magellanovým mračnem na jižní obloze. byla detekována dokonce dvě ramena. Vnitřní rameno je teplé a bylo objeveno již Spitzerovým vesmírným dalekohledemSST (Spitzer Space Telescope) – Spitzerův vesmírný dalekohled. Kosmická observatoř NASA pracující v infračerveném oboru, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003 nosnou raketou Delta 7920H ELV. Zrcadlo má průměr 85 cm. Přístroje byly chlazeny kapalným heliem na teplotu 5,5 K do roku 2009. Pozorovací spektrální rozsah byl v období chlazení 3÷180 μm. Od roku 2009 pracuje dalekohled v „teplém“ režimu – teplota celého dalekohledu je cca 30 K a pracuje jen přístroj IRAS na vlnových délkách 3,6 μm a 4,5 μm. Program observatoře má na starosti California Institute of Technology.. Vnější rameno (objevené Planckem) je chladné, snad složené z prachu.
Sunjajevovy-Zeldovičovy objekty
FotonyFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. reliktního zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí). putují Vesmírem a postupně chladnou. Někdy se ale na své cestě mohou potkat s horkým prostředím nějaké kupy galaxií a interagovat s horkými elektronyElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932., jejichž energie je několik kiloelektronvoltůElektronvolt – jednotka energie. Jde o energii, kterou získá elektron urychlením v potenciálovém rozdílu jeden volt, 1 eV = 1,6×10−19 J. V jaderné fyzice se používají spíše větší násobky této jednotky, kiloelektronvolt keV (103 eV), megaelektronvolt MeV (106 eV), gigaelektronvolt GeV (109 eV), teraelektronvolt TeV (1012 eV) nebo petaelektronvolt PeV (1015 eV). V těchto jednotkách se také vyjadřuje hmotnost (E=mc2) a teplota (E=kBT). Jeden elektronvolt odpovídá teplotě přibližně 11 600 K.. Energie samotných fotonů je přitom jen několik desetin milielektronvoltů. Při takové interakci dojde k inverznímu Comptonovu rozptyluComptonův rozptyl – rozptyl fotonů (zpravidla RTG nebo gama záření) na volných elektronech. Při tomto rozptylu se snižuje energie fotonů. V akrečních discích černých děr probíhá inverzní Comptonův rozptyl, při kterém se nízkoenergetické fotony rozptylují na elektronech s vysokou energií. Při tomto procesu fotony energii získávají a mění se na rentgenové nebo gama fotony. fotonů na elektronech a k jejich ohřevu. Na mapě reliktního záření se ve směru kupy objeví oblast s nepatrně vyšší teplotou reliktního záření. Jev poprvé předpověděli v roce 1972 Sunjajev a Zeldovič.
Sunjajevův-Zeldovičův jevSunjajevův-Zeldovičův jev – výsledek vzájemného ovlivnění vysoce energetických elektronů s fotony reliktního záření prostřednictvím inverzního Comptonova rozptylu. Nízkoenergetické mikrovlnné fotony reliktního záření získávají energii při průletu horkým mezigalaktickým plynem v kupě a tuto změnu lze rozpoznat ve spektru.
lze využít k vyhledávání velmi vzdálených
kup galaxiíKupy galaxií – největší gravitačně vázané objekty ve vesmíru tvořené třemi hlavními složkami:
– stovkami galaxií obsahujícími hvězdy, plyn a prach,
– obrovskými mraky horkých plynů,
– temnou hmotou zatím neznámé povahy.
Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, radiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je
miliardy až stovky miliard Sluncí.
(informovali jsme o tom v AB 36/2010).
Najdeme-li v reliktním zářeníReliktní záření – záření, které se od látky oddělilo přibližně 400 000 let po vzniku vesmíru, v době, kdy se vytvářely atomární obaly prvků a končilo plazmatické období vesmíru. Počáteční horkou (plazmatickou) fázi existence vesmíru nazýváme Velký třesk a reliktní záření tedy pochází z období konce Velkého třesku. Dnes má teplotu 2,73 K a vlnovou délku v milimetrové oblasti. Je jedním ze základních zdrojů informací pro naše poznání raného vesmíru. V anglické literatuře se označuje zkratkou CMB (Cosmic Microwave Background, mikrovlnné záření pozadí).
charakteristickou oblast s nepatrně zvýšenou teplotou, je
možné, že jde o důsledek průchodu fotonů horkým prostředím kupy. Jak to
ale nezávisle ověřit? Samotné horké elektrony v kupě září v rentgenovém
oboru. Pokud doplníme pozorování z PlanckuPlanck – mikrovlnná observatoř evropské kosmické agentury ESA, která byla vynesena do vesmíru 14. května 2009. Byla určena k výzkumu fluktuací reliktního záření a monitorování vesmíru v mikrovlnné oblasti. Měla úhlovou rozlišovací schopnost 5′ a teplotní citlivost 2 μK. Oblohu snímkovala v devíti frekvenčních pásmech od 30 do 857 GHz (0,2 až 10 mm). Zrcadlo sondy mělo rozměry 1,9×1,5 m. Teplotu vysokofrekvenční části ohniska se podařilo po dobu dvou let udržet na extrémně nízké hodnotě 0,1 K. Činnost sondy byla ukončena v říjnu 2013.
pozorováním v rentgenovém
oboru a nalezneme strukturu stejného tvaru, je vyhráno. V rentgenovém
oboru září horké elektrony kupy a v mikrovlnném oboru fotony reliktního
záření, které se o tyto elektrony ohřály. Metoda byla nejprve
vyzkoušena na známé kupě galaxií ve Vlasech Bereniky a teprve poté
aplikována na objevování nových kup galaxií.
Obr. 5. Testování metody na známé Kupě ve Vlasech Bereniky. Na levém horním obrázku je podezřelá teplejší skvrna v reliktním záření, čáry představují místa konstantní intenzity (isofoty). Na pravém snímku je tatáž oblast vyfotografovaná rentgenovou observatoří ROSATROSAT – ROentgen SATellite. Německá rentgenová družice vypuštěná NASA v roce 1990. Hlavním přístrojem byl čtyřvrstvý zrcadový dalekohled o průměru 83 cm a ohniskovou vzdáleností 240 cm. Přístroj byl schopen pracovat v energetickém oboru (0,1÷2) keV s úhlovým rozlišením až 40′. Družice pracovala do roku 1999., do které jsou překopírovány isofoty z levého obrázku. Koincidence záření horkých elektronů (napravo) a teplejší skvrny v reliktním záření (nalevo) je zjevná. Na spodních snímcích je tatáž situace doplněná o vizuální obraz jednotlivých členů kupy z digitální přehlídky oblohy DSSDSS – Digitized Sky Surveys (DSS 1, DSS 2) jsou celooblohové digitalizované přehlídky snímků z Palomarského (USA) a Schmidtova (Anglie) dalekohledu. Snímky pokrývají pásma E, V, J, R a N. Fotografické desky zabírající pole 6,5°×6,5° byly skenovány s rozlišením 1″. Snímky jsou přístupné ve formátech FITS a GIF..
Dne 15. září 2010 byla touto metodou objevena první nová nadkupa galaxií (viz AB 36/2010). V tuto chvíli je známo 189 SZ objektů (ohřátých skvrn v reliktním záření), 169 z nich koresponduje se známými kupami galaxií, 20 objektů jsou nové kupy galaxií objevené sondou Planck. Z těchto 20 objektů bylo 12 potvrzeno nezávislým rentgenovým snímkem (11 z XMM-NewtonXMM-Newton – X ray Multi Mirror, rentgenový dalekohled na oběžné dráze (Evropská rentgenová observatoř). Jeho hlavní součástí jsou tři systémy soustředných pozlacených zrcadel o celkové ploše 120 m2. Evropská kosmická agentura (ESA) vypustila do vesmíru observatoř XMM-Newton 10. prosince 1999 z paluby rakety Ariane 5.) a 8 objektů čeká na potvrzení. Všech 189 nalezených objektů tvoří tzv. předběžný katalog Sunjajevovývh-Zeldovičových objektů. Má zkratku ESZ (Early SZ) a je podmnožinou katalogu kompaktních objektů CSC (http://pla.esac.esa.int/pla/pla.jnlp). Není bez zajímavosti, že z charakteru skvrny je možné zjistit, zda se ohřála od tepelného pohybu elektronů nebo od jejich uspořádaného proudění.
Obr. 6. Předběžný katalog SZ objektů má v době vyjití bulletinu 189 objektů.
Nové pohledy na Mléčnou dráhu
Planck umožňuje také mikrovlnné snímání objektů Mléčné dráhy. Jde zejména o oblasti studeného prachu, prachoplynné oblasti, mlhoviny a molekulární mračna. Lidské oko není citlivé na mikrovlnnou oblast, a tak se pořízené snímky obarví do falešných barev. Pokud jde o jeden jediný snímek na konkrétní frekvenci, barvy kódují pouze intenzitu signálu. Jinou možností je využít tři snímky daného objektu v různých frekvencích, nejnižší frekvenci obarvit červeně, prostřední zeleně a nejvyšší modře a poté z těchto tří snínků složit jeden jediný snímek, který připomíná barevné snímky z optického oboru. Existují ale i jiné způsoby barevného kódování snímků.
Obr. 7. Prach v Mléčné dráze. Jde o snímek vysokofrekvenčním přístrojem HFI na frekvenci 857 GHz. Jednotlivé barvy znamenají intenzitu signálu (modrá nulovou, tmavě červená maximální). Temný pruh leží v rovině Mléčné dráhy, jde o chladný prach. Snímek má úhlový rozměr cca 55°. Dobře patrné jsou filamentární struktury, které prach vytváří.
Obr. 8. Hvězdná porodnice v souhvězdí Persea o velikosti 30×30°. Snímek je v nepravých barvách a vznikl složením tří snímků z devíti pořízených Planckem. Snímku na frekvenci 30 GHz byla přiřazena červená barva, snímku na 353 GHz zelená a na 857 GHz modrá. Obarvené snímky, ze kterých vznikla výsledná kompozice jsou v horní řadě.
Dokončení příště
Klip týdne
Sonda Planck pozorovaná
2,2metrovým dalekohledem Evropské
jižní observatoře v chilských Andách. Astronomové si
nejprve mysleli, že objevili novou planetku.
Odkazy
