Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 19 – vyšlo 10. května, ročník 17 (2019)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Oblaka nejsilnější kyseliny

Dana a Rudolf Mentzlovi

O Edisonovi koluje mnoho doložených i nedoložených legend. Některé jsou pravdivé, jiné přežívají přes jistou nevěrohodnost jen pro svůj půvab. Podle jedné z nich navštívil Edisona vynálezce se vzorcem kyseliny, která rozpustí každou hmotu. Praktický Edison ho odbyl datazem: „A v čem byste ji skladoval?“ Nevíme, do které kategorie tato legenda patří, ani zda je pravdivá, či nepravdivá. Známe na ni však odpověď. „Ve vesmíru. Funguje to.“

Molekula hydridu helia. Zdroj: CCoil.

Hydrid helia – sloučenina vodíku a helia HeH. Ačkoli se tato molekula rychle rozpadá, její kationt HeH⁺ je stabilní. Poprvé byl připraven již v roce 1925, v roce 2019 byla jeho přítomnost potvrzena v planetární mlhovině NGC 7027. Předpokládá se, že sloučenina byla hojná v raném vesmíru, v době tvorby prvních atomárních obalů.

SOFIA – Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, observatoř pro infračervená pozorování instalovaná na palubě Boeingu 747SP-21. Mezi její úspěchy patří objev iontu hydridu helia v planetární mlhovině NGC 7027 nebo pozorování zákrytu hvězdy trpasličí planetou Pluto. Letadlo bylo pokřtěno v roce 1977 vdovou po Charlesi Lindberghovi. V roce 1997 letadlo odkoupila NASA. Bylo přestaveno na observatoř a v roce 2007 pokřtěno na Clipper Lindbergh jeho vnukem.

GREAT – German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, spektrometr pro infračervený obor v rozsahu 60÷600 μm. V tomto pásmu je zemská atmosféra neprůhledná, proto je přístroj instalován na palubě létající observatoře SOFIA.

Sloučniny helia

Chemický vzorec této látky (HeH⁺) budí na první pohled nedůvěru. HeliumHelium – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny a tvořící druhou nejvíce zastoupenou složku vesmírné hmoty. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, chemicky zcela inertní. Francouzský astronom Pierre Janssen objevil helium ze spektrální analýzy sluneční korony. V roce 1895 se britskému chemikovi Williamu Ramsayovi podařilo izolovat plynné helium na Zemi. Je pojmenované po starořeckém bohu Slunce, Héliovi. a vzácné plyny obecně jen neochotně tvoří sloučeniny. Na vině je plně obsazená valenční sféra helia. Vazební 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. jsou plně spárovány a atomAtom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10⁻¹⁰ m, rozměry jádra 10⁻¹⁴ m, hustota atomu je 10¹¹ g·cm⁻³, hustota jádra 10¹⁴ g·cm⁻³. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. nemá na první pohled šanci, jak vytvořit s jinými atomy sloučeninu. Přesto tu nějaké možnosti jsou. Někdy jde o trik, někdy o skutečnou molekulu. Jako molekula helia se někdy uvádí He@C₆₀ a He₂@C₆₀. Otázka je, zda molekulu, která má ve vzorci znak @ můžeme považovat za opravdovou sloučeninu. Ve skutečnosti se jedná o uhlíkovouUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. klícku fullerenuFullereny – sférické struktury tvořené atomy uhlíku, rozměr této obří molekuly je kolem 0,7 nm. Nejdůležitější z fullerenů jsou C₆₀, C₅₀ a C₇₀ obsahujících 60, 50 a 70 atomů uhlíku. Fullereny za normálních podmínek sublimují při teplotách nad 500 °C. Fullereny jsou pojmenovány po americkém architektu Buckminsterovi Fullerovi, který stavěl kopule podobného tvaru. Za objev fullerenů získali Nobelovu cenu za chemii v roce 1996 Robert Curl, Harold Kroto a Richard Smalley. 60, ve které je uvězněna jedna nebo dvě molekuly helia. Nedávno byla odladěna metoda přípravy této struktury, kdy jsou jádra helia explozí urychlena natolik, že proniknou stěnou fullerenu a tam již zůstanou. Podobným postupem byly vytvořeny fullereny obsahující neonNeon – plynný chemický prvek, patřící mezi vzácné plyny. Nevytváří sloučeniny. Neon byl objeven v roce 1898 Williamem Ramsayem a Morrisem Traversem. Využívá se v osvětlovacích tělesech a světelných indikátorech. Slouží jako náplň do některých typů laserů., dusíkDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium. a argonArgon – prvek patřící mezi vzácné plyny, které tvoří necelé 1 % zemské atmosféry. Jde o nereaktivní bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Objev argonu je oficiálně připisován lordu Rayleighovi a Williamu Ramsayovi, kteří ho detekovali roku 1894. Jako inertní atmosféra se využívá v metalurgii, při balení potravin, v plazmových technologiích i ve výbojkách..

Molekuly HgHe, HgHe₂ a HgHe₁₀ již vypadají jako opravdové molekuly, ale opět jde spíš o trik. Tentokrát trik spočívá v tom, že je celý atom helia natlačen do vnějších elektronových slupekOrbital – oblast v atomárním či molekulárním obalu, kde se vyskytuje elektron. Pravděpodobnost výskytu elektronu v orbitalu je rovna druhé mocnině velikosti komplexní vlnové funkce. rtutiRtuť – Hydrargyrum, těžký, toxický kovový prvek. Slouží jako součást slitin (amalgámů) a jako náplň různých přístrojů (teploměry, barometry). Je jediným kovem, který je za normálních podmínek kapalný.. Za plnohodnotnou molekulu je považován helid sodnýSodík – Natrium, nejběžnější prvek ze skupiny alkalických kovů, hojně zastoupený v zemské kůře, mořské vodě i živých organizmech. Sodík je měkký, lehký a stříbrolesklý kov, který lze krájet nožem. Volný kov se poprvé podařilo připravit roku 1807 siru Humphry Davymu. Na₂He, jehož existence byla nejprve předpovězena počítačovými simulacemiPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů.. Teprve nedávno byl připraven fyzicky na diamantové kovadliněDiamantová kovadlina – zařízení, ve kterém je vzorek vystaven vysokému tlaku mezi dvěma diamantovými nástavci. Rovnoměrného rozložení tlaku na vzorek je dosaženo vyplněním prostoru kapalinou, například vodou, nebo dokonalým utěsněním prostoru.. Při tlaku 113 GPa jsou obě molekuly přitlačeny tak blízko, že se zcela přeskupí elektronové obaly a helium se pak chová, jako by nad jeho valenční vrstvouValenční pás – poslední (nejvyšší) pás, ve kterém se vyskytují nějaké elektrony v základním stavu. začala vznikat další vrstva, takže nakonec chemicky připomíná beryliumBerylium – nejlehčí prvek ze skupiny kovů alkalických zemin, tvrdý, šedý kov o značně vysoké teplotě tání. Vede špatně elektrický proud a teplo. Velmi dobře propouští radioaktivní záření. Jeho soli jsou mimořádně toxické. Berylium bylo objeveno roku 1798 Louisem Vauguelinem jako součást minerálu berylu a smaragdů..

Kyselina kyselin

A přece existuje sloučenina helia, která šokuje spíše svou jednoduchostí, než exotickými druhy vazeb. Dle pravidel českého názvosloví bychom mohli vymýšlet její přesné pojmenování, ale protože nehrozí zmatení pojmů, běžně se používá méně konkrétní označení hydrid heliaHydrid helia – sloučenina vodíku a helia HeH. Ačkoli se tato molekula rychle rozpadá, její kationt HeH⁺ je stabilní. Poprvé byl připraven již v roce 1925, v roce 2019 byla jeho přítomnost potvrzena v planetární mlhovině NGC 7027. Předpokládá se, že sloučenina byla hojná v raném vesmíru, v době tvorby prvních atomárních obalů.. Tato látka se samovolně rychle rozpadá, nicméně její kationt HeH⁺ je již stabilní. To ovšem neznamená, že ho lze snadno zkoumat. Vazba mezi vodíkemVodík – Hydrogenium, je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící převážnou část hmoty ve vesmíru. Má široké praktické využití jako zdroj energie, redukční činidlo při chemické syntéze a v metalurgii nebo jako náplň balonů a vzducholodí. Vodík objevil roku 1766 Henry Cavendish. a heliem je velice křehká a molekula se protonuProton – částice složená ze tří kvarků (duu) se spinem 1/2, hmotností 1,673×10⁻²⁷ kg (938 MeV) a elektrickým nábojem +1,6×10⁻¹⁹ C. Proton je na běžných časových škálách stabilní, pokud se rozpadá, je poločas rozpadu větší než 10³⁵ let. Za objevitele protonu je považován Ernest Rutherford, který v roce 1911 objevil atomové jádro při analýze rozptylu částice alfa pronikající tenkou zlatou fólií. Samotná jádra vodíku (protony) detekoval v roce 1918 při ostřelování dusíku částicemi alfa. Antiproton byl objeven v roce 1955 Emilio Segrem a Owenem Chamberlainem. velice ráda zbaví. Dárcovství protonu je vlastnost, kterou se vyznačují kyseliny a HeH⁺ se také tak chová. Ačkoli byl kationt uměle připraven již v roce 1925, doposud nemohl být zkoumán jinak, než bezprostředně po výrobě, protože by okamžitě reagoval ve styku s jiným materiálem.

Detekce hydridu helia v mlhovině NGC 7027

Planetární mlhovina NGC 7027 v Labuti. Energetické záření bílého trpaslíka v jejím
centru stojí za vznikem iontu HeH⁺. Zdroj: NIESYTO / William B. Latter.

Jediný způsob, jak hydrid helia uchovat, je izolace od ostatní hmoty. Vesmírný prostor se nabízí sám od sebe. Astronomové výskyt hydridu ve vesmíru očekávali delší dobu. První molekuly by podle představ kosmologů měly vznikat již počátkem temného věkuTemný věk – období mezi vznikem atomárních obalů na konci velkého třesku (400 000 let po vzniku vesmíru) a reionizací plynu v důsledku vzniku prvních megahvězd (550 milionů let po vzniku vesmíru). V tomto období látka ve vesmíru nezářila a byla temná., kdy energie vesmíru poklesla natolik, aby atomy dokázaly udržet elektronové obaly. Dalším zdrojem molekul by mohla být interakce energetického záření s materiálem planetárních mlhovinPlanetární mlhovina – odhozená obálka hvězdy v jejím závěrečném stádiu vývoje. Za roztodivné tvary planetárních mlhovin může přítomné magnetické pole. Planetární mlhoviny nemají nic společného s planetami, název vznikl na základě podobnosti mlhoviny s kotoučkem planety v malých dalekohledech.. Přesto molekula dlouho unikala našim spektroskopům. Na vině je její nejvýznamnější spektrální čára 149,14 μm. Nachází se v té části infračervené oblastiInfračervená spektroskopie – metoda, pomocí které se určuje z absorpčních čar přítomnost určitých molekul v plynech a v kapalinách. Zpravidla se využívají rotační a vibrační přechody víceatomových molekul, které se většinou nacházejí v infračervené oblasti spektra., kterou dokonale pohlcuje naše atmosféra. Navíc se shoduje s dubletem spektrálních čar radikálu CH, takže je k potvrzení třeba sáhnout i po dalších méně výrazných čarách.

SOFIA nad oblaky

Při pátrání po hydridu helia sáhl tým Rolfa Güstena z německého MPIfR (Max Planck Institut für Radioastronomie) po spektrometru GREATGREAT – German REceiver for Astronomy at Terahertz Frequencies, spektrometr pro infračervený obor v rozsahu 60÷600 μm. V tomto pásmu je zemská atmosféra neprůhledná, proto je přístroj instalován na palubě létající observatoře SOFIA. , se kterým lze pořizovat spektra v rozsahu 60÷600 μm. Rušivý vliv atmosféry eliminovali umístěním aparatury v létající observatoři SOFIASOFIA – Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, observatoř pro infračervená pozorování instalovaná na palubě Boeingu 747SP-21. Mezi její úspěchy patří objev iontu hydridu helia v planetární mlhovině NGC 7027 nebo pozorování zákrytu hvězdy trpasličí planetou Pluto. Letadlo bylo pokřtěno v roce 1977 vdovou po Charlesi Lindberghovi. V roce 1997 letadlo odkoupila NASA. Bylo přestaveno na observatoř a v roce 2007 pokřtěno na Clipper Lindbergh jeho vnukem. pohybující se ve výšce kolem 14 km, tedy nad absorbčními vrstvami nižší atmosféry. První úspěch zaznamenali při rozboru spektra z 3 000 světelných rokůSvětelný rok – ly (light year), vzdálenost, kterou světlo ve vakuu urazí za jeden rok, ly = 9,46×10¹² km. Menšími jednotkami jsou: světelný den, světelná hodina, světelná minuta a světelná sekunda. Větší jednotkou je 1000 ly, což označujeme zkratkou kly. Tyto jednotky se velmi často používají v populárních textech. V odborných textech se spíše využívají parseky. vzdálené planetární mlhoviny NGC 7027 v souhvězdí Labutě. Před šesti sty roky zde vybuchla hvězda, jejíž pozůstatky dnes pozorujeme ve formě stále expandující plynné obálky o celkové hmotnosti odpovídající trojnásobku hmotnosti SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium.. Bílý trpaslíkBílý trpaslík – jedna z možných závěrečných fází vývoje hvězd. Hvězda, ve které degenerovaný elektronový plyn vyvíjí gradient tlaku (způsobený Pauliho vylučovacím principem), který odolává gravitaci. Poloměr je 1 000 km až 30 000 km, hustota řádově 10³ kg cm^-3, maximální hmotnost 1,4 M_S. Hmotnější bílí trpaslíci jsou nestabilní, explodují jako supernovy typu Ia. Tuto tzv. Chandrasekharovu mez odvodil Subrahmanyan Chandrasekhar v roce 1930. Objev prvního bílého trpaslíka: Již v roce 1834 Fridrich Bessel předpověděl průvodce Síria A z newtonovské teorie na základě vlnovkovité trajektorie hvězdy Sírius. Tento průvodce (Sírius B) byl objeven v optické dílně bratří Clarků roku 1862 (Alvan Clark – test objektivu průměru 45 cm). Sírius B je prvním známým bílým trpaslíkem. Byla na něm demonstrována správnost newtonovské teorie (vlnovkovitá trajektorie Síria A) i potvrzena OTR (červený posuv). Sírius B je enormně malý a hustý bílý trpaslík s průměrem 11 736 km, ρ = 3×10³ kg cm⁻³. Povrchová teplota je 24 800 K, vzdálenost 8,6 l.y. a hmotnost 1,03 M_S., který zbyl po hvězdě, je dnes rozpálený na teplotu 190 000 °C. Ultrafialové zářeníUltrafialové záření – elektromagnetické záření s kratší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 1 nm do 400 nm. Ultrafialové záření objevil v roce 1801 Johann Wilhelm Ritter. Značí se UV z anglického UltraViolet, rozděluje se na extrémní XUV (EUV) (1÷31 nm), daleké VUV (FUV) (10÷200 nm), hluboké DUV (pod 300 nm), krátkovlnné (pod 280 nm), středněvlnné UVB (280÷320 nm), dlouhovlnné UVA (320÷400 nm) a blízké NUV (200÷400 nm). produkované při této teplotě je schopno v mlhovině ionizovat atomy vodíku i helia a ty pak vytvářejí detekované ionty hydridu helia.

Detail radioteleskopu umístěného nad levým křídlem létající observatoře SOFIA.
Zdroj: Carla Thomas / NASA.

Létající observatoř SOFIASOFIA – Stratospheric Observatory For Infrared Astronomy, observatoř pro infračervená pozorování instalovaná na palubě Boeingu 747SP-21. Mezi její úspěchy patří objev iontu hydridu helia v planetární mlhovině NGC 7027 nebo pozorování zákrytu hvězdy trpasličí planetou Pluto. Letadlo bylo pokřtěno v roce 1977 vdovou po Charlesi Lindberghovi. V roce 1997 letadlo odkoupila NASA. Bylo přestaveno na observatoř a v roce 2007 pokřtěno na Clipper Lindbergh jeho vnukem. je unikátní zařízení, které již několik let uniká škrtům v rozpočtu. Objev iontu hydridu helia jistě zajistí pár dalších plodných let provozu. Technicky jde o upravený Boeing provozovaný NASANASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, byl založen prezidentem Eisenhowerem 29. července 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. a německým DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt – Německé středisko pro letectví a kosmonautiku). Protože je zemská atmosféra pro některá pásma infračerveného záření neprostupná, je třeba vydat se za ním do velké výšky. Létající observatoř SOFIA poskytuje pro taková pozorování výhodnější platformu než automatická vesmírná stanice, a to nejen po ekonomické stránce. Výška téměř 15 km nad zemským povrchem je téměř prostá vodních par a poskytuje souměřitelné pozorovací podmínky jako orbitální dráha. Navíc zde odpadá problematický koncept bezporuchovosti. Na zařízeních v letadle je možné kdykoli provést revizi, doplnit chladicí médium nebo v případě potřeby vyměnit přímo celý experiment. Vlastní teleskop sleduje oblohu z otvoru nad levým křídlem. Obsluhu letadla zajišťuje tříčlenná posádka, na palubu se vejde až patnáct astronomů. Nový objev přišel právě včas. Poslední větší zářez do pažby měla observatoř SOFIA již před třemi lety, v roce 2015 při zákrytu hvězdy trpasličí planetouTrpasličí planeta – nebeské těleso, které: 1) obíhá okolo Slunce. 2) má dostatečnou hmotnost, aby jeho gravitace překonala vnitřní síly pevného tělesa (dosáhne přibližně kulatého tvaru odpovídajícího hydrostatické rovnováze). 3) není satelitem jiného tělesa. 4) nevyčistí okolí své dráhy od drobných těles (na rozdíl od planety). K typickým trpasličím planetám patří velká tělesa Kuiperova pásu, z nichž nejznámější je Pluto. PlutoPluto – spolu s Charonem tvoří trpasličí dvojplanetu v Kuiperově pásu, která patří do rodiny plutoidů. Do roku 2006 byl Pluto řazen konvenčně mezi planety. V blízkosti jsou čtyři menší měsíce Nix, Hydra, Kerberos a Styx. Pluto oběhne Slunce jednou za 248 pozemských let po protáhlé, eliptické dráze. Kolem vlastní osy se otáčí v opačném smyslu, než obíhá. Jeho povrch, kde je nejvíce zastoupen dusíkový a metanový led, dobře odráží světlo. Dráha Pluta je mimořádně excentrická, v některých obdobích je blíže ke Slunci než Neptun (1979–1999). Sklon dráhy k rovině ekliptiky je 17,1°. Sklon rotační osy od kolmice na rovinu dráhy je 122,5°. Pluto se, podobně jako Uran, odvaluje v rovině dráhy.. Zdá se, že o finanční krytí je zase na chvíli postaráno.

Rozumíme Velkému třesku?

Očekává se, že objev spektrální čáry hydridu helia ve vesmírném prostoru pobídne kosmology k hledání primordiálních iontů. To jsou ty ionty, které by podle současných teorií měly vznikat v raných dobách vesmíru. Jejich absenci či přítomnost musí současné kosmologické modely zohledňovat. Tentokrát nebudou zahálet ani pozemní přístroje. Vlivem kosmologického posuvuKosmologický posuv – posuv spektrálních čar k červenému konci spektra díky rozpínání vesmíru. Při rozpínání dochází nejen ke vzájemnému vzdalování galaxií, ale i k prodlužování vlnových délek záření. Spektrum vzdálených objektů ve vesmíru se tak jeví posunuté směrem k červené až infračervené oblasti. Kosmologický červený posuv je definován předpisem z = (λ − λ₀)/λ₀, kde λ₀ je vlnová délka spektrální čáry v okamžiku vyslání paprsku, λ je vlnová délka téže spektrální čáry v okamžiku zachycení paprsku. Malé kosmologické červené posuvy lze interpretovat pomocí Dopplerova jevu. U velkých posuvů závisí vzdálenost objektu na parametrech expanze vesmíru (Hubbleově konstantě, křivosti, procentuálním zastoupení temné energie atd.) a není jednoduché z naměřeného kosmologického posuvu vzdálenost přesně určit. Proto se většinou časové období udává pouze hodnotou naměřeného kosmologického posuvu. by se měla vlnová délka spektrálních čar primordiálních iontů roztáhnout asi na desetinásobek. Tím se dostáváme do frekvencí, pro které je zemská atmosféra průhledná. Současné modely vývoje vesmíru počítají s tím, že by v raném vesmíru hydrid helia vznikat měl. O tom, jak pátrání po molekule dopadne a k jakým závěrům povede, můžeme zatím pouze spekulovat.

Detekce molekuly HeH na létající observatoři SOFIA. Zdroj: DLR/MPIfR.

Odkazy