Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 7 – vyšlo 16. února, ročník 22 (2024)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Družica Gaia mení naše chápanie Mliečnej cesty

Žofia Chrobáková

Uplynulo sto rokov, odkedy Edwin Hubble svojimi prevratnými pozorovaniami potvrdil existenciu galaxie Andromeda a tým dokázal existenciu iných galaxií okrem našej. Odvtedy nastal vo výskume galaxií veľký posun, no v poznaní Mliečnej cesty je stále množstvo otáznikov. Napriek tomu, že máme dobrú predstavu o základných zložkách našej Galaxie, chýba nám ucelená predstava o tom ako Galaxia vznikla a ako jej rôzne časti spolu interagují. Na tieto a mnohé iné otázky sa nám snaží dať odpoveď misia GaiaGaia – sonda Evropské kosmické agentury mající za úkol zpřesnit polohu zhruba miliardy hvězd naší Galaxie. Byla vypuštěna nosnou raketou Sojuz dne 19. prosince 2013 z kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně. Svá měření provádí v libračním (Lagrangeově) bodě L2 soustavy Slunce-Země. Její vývoj stál 650 milionů eur..

Logo misie Gaia. Zdroj: ESA.

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.

Gaia – sonda Evropské kosmické agentury mající za úkol zpřesnit polohu zhruba miliardy hvězd naší Galaxie. Byla vypuštěna nosnou raketou Sojuz dne 19. prosince 2013 z kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně. Svá měření provádí v libračním (Lagrangeově) bodě L2 soustavy Slunce-Země. Její vývoj stál 650 milionů eur.

Lagrangeovy body – pět bodů v sousedství dvou obíhajících hmotných těles, ve kterých je gravitační a odstředivá síla vyrovnána. Polohu těchto bodů poprvé vypočítal italsko-francouzský matematik Joseph-Louis Lagrange. Velmi výhodné je například umístění sond určených k pozorování vzdáleného vesmíru do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce, který je vzdálený od Země 1 500 000 km ve směru od Slunce (WMAP, Planck, Herschel). Naopak, do bodu L1 soustavy Země-Slunce se umísťují sondy určené pro monitorování Slunce (například SOHO). Lagrangeův bod L3 soustavy Země-Slunce leží opačné straně Slunce, nepatrně dále, než je oběžná dráha Země. Body L4 a L5 neleží na spojnici obou těles, ale tvoří s nimi rovnostranné trojúhelníky.

Misia Gaia

Misia Gaia, vyvinutá Európskou vesmírnou agentúrouESA – 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. a vypustená v roku 2013, je zameraná na pozorovanie Mliečnej cesty. Jej výnimočnou vlastnosťou je, že jednotlivé hviezdy pozoruje mnohokrát, v priemere sedemdesiatkrát za päť rokov. Vďaka tomu dokáže merať parametre hviezd s mimoriadnou presnosťou. Okrem hviezd však Gaia pozoruje aj planétkyPlanetka – nesprávně asteroid, malé těleso o rozměrech maximálně stovek kilometrů na samostatné dráze kolem Slunce. Nejvíce planetek se nachází v tzv. Hlavním pásu mezi drahami Marsu a Jupiteru. Obdobná tělesa jsou i v Kuiperově pásu za drahou Neptunu. Slnečnej sústavy, či exoplanétyExoplaneta – extrasolární planeta, planeta obíhající okolo jiné hvězdy, než je naše Slunce. Jejich existence byla předpovězena dlouhou dobu, první exoplaneta u pulzaru byla detekována v roce 1992, první exoplaneta u hvězdy hlavní posloupnosti byla objevena až v roce 1995 u hvězdy 51 Pegasi. Její objevitelé – Michel Mayor a Didier Queloz – získali v roce 2019 Nobelovu cenu. Do roku 2019 bylo nalezeno přibližně 4 000 exoplanet. Většinou jde o velká tělesa s hmotností a velikostí jen o málo menší, než mají hnědí trpaslíci.. Gaia je vybavená tromi hlavnými prístrojmi, ktoré slúžia na astrometriuAstrometrie – měření poloh a pohybů objektů, zejména hvězd. Určují se dvě úhlové souřadnice na nebeské sféře a z dlouhodobých měření paralaxa hvězdy a z ní její vzdálenost. První systematickou astrometrii hvězd ve větším měřítku provedla sonda Hipparcos (1989–1993), která připravila katalog poloh 118 000 hvězd., fotometriuFotometrie – část astronomie zabývající se zkoumáním a porovnáváním světla z různých zdrojů z hlediska jeho působení na lidský zrakový orgán. Sledované fotometrické veličiny, například jasnost, světelný tok nebo osvětlení zohledňují vedle vlastností dopadajících fotonů fyziologii našeho zraku. a spektroskopiuSpektroskopie – pořizování spekter objektů. Z těchto spekter je možné určovat vlastní pohyb objektu, teplotu či jeho chemické složení.. V praxi to znamená, že kombináciou meraní dokáže družica určiť polohu hviezdy, jej rýchlosti v rôznych smeroch a takisto jej spektrum, z ktorého sa môžeme dozvedieť viac o chemickom zložení a type hviezdy.

Za 10 rokov pozorovaní Gaia priniesla informácie o viac ako miliarde hviezd a pozorovania stále pokračujú. Finálne výsledky misie budú zverejnené v roku 2025, kedy budeme mať k dispozícii dáta o neuveriteľných dvoch miliardách hviezd. Máme sa teda určite na čo tešiť. Aké objavy sme však vďaka Gaii zaznamenali doteraz?

Prehľad rôznych dát zozbieraných družicou Gaia. Zdroj: ESA.

Štruktúra Galaxie

Vďaka dátam z GaiiGaia – sonda Evropské kosmické agentury mající za úkol zpřesnit polohu zhruba miliardy hvězd naší Galaxie. Byla vypuštěna nosnou raketou Sojuz dne 19. prosince 2013 z kosmodromu v Kourou ve Francouzské Guyaně. Svá měření provádí v libračním (Lagrangeově) bodě L2 soustavy Slunce-Země. Její vývoj stál 650 milionů eur., v kombinácii so sofistikovanými numerickými metódami, sme významne rozšírili naše obzory a dokážeme sa pozrieť do najvzdialenejších oblastí galaktického disku. Toto nám umožnilo po prvý krát skúmať štruktúru týchto oblastí, kde pozorujeme zaujímavé javy ako napríklad warp. Galaktický warp je ohnutie okrajov galaktického disku ako možno vidieť na obrázku, ktoré existuje u množstva galaxií vrátane Mliečnej cesty. Ale dodnes nevieme, čo ho spôsobuje. Nové dáta nám ukazujú, že warp je výrazne menší ako sme si pôvodne mysleli a jeho veľkosť je rôzna pre rôzne hviezdne populácie, čo nám pomáha pochopiť pôvod tejto štruktúry.

Umelecké zobrazenie Mliečnej cesty dôrazom na galaktický warp – zakrivenie disku
na okrajoch Galaxie (v prehnanej škále). Zdroj: Xinlun Cheng.

Gaia objavila aj úplne nové javy, ako je špirálové zatočenie rýchlostí hviezd v našej Galaxii – závislosť vertikálnej rýchlosti hviezd od ich polohy nad/pod galaktickou rovinou má špirálovitý tvar pripomínajúci slimačiu ulitu. Táto záhadná štruktúra je zrejme pozostatkom turbulentnej histórie našej Galaxie, keď sa zrazila s menšou galaxiou Sagittarius. Okrem toho sa ukazuje, že všetky zložky rýchlostí hviezd sú nerovnomerné, nesymetrické a teda Mliečna cesta ešte nedosiahla rovnovážny stav ale stále sa stabilizuje.

Gaia neskúma len disk ale aj haloGalaktické haló – oblast obklopující nejnápadnější část galaxie. U spirálních galaxií jde o prostor kulového tvaru opsaný galaktickému disku. Halo je tvořeno řídkou mezihvězdnou látkou a nacházejí se v něm kulové hvězdokupy vázané gravitačně na mateřskou galaxii. Koncentrace látky v halo se snižuje s rostoucí vzdáleností od roviny galaxie a od jejího jádra. Všeobecně uznávaným předpokladem dnes je, že temná látka obklopující galaxie je rozložena také do tvaru halo. – rozsiahlu časť Mliečnej cesty, tvorenú okrem iného tmavou hmotouTemná hmota – hmota ve vesmíru nebaryonové povahy, která není složena z kvarků. Temná hmota udržuje pohromadě svítící objekty velkých rozměrů, které díky ní v periferních oblastech obíhají rychleji, než odpovídá gravitačnímu zákonu aplikovanému na viditelnou hmotu. Podle posledních odhadů na základě pozorování existuje ve vesmíru 5 % baryonové hmoty, 27 % temné hmoty a 68 % temné energie. Existuje několik hypotetických částic, které jsou vhodnými kandidáty na částice temné hmoty, dosud však nebyly objeveny. Termín „temná hmota“ zavedl v roce 1933 Fritz Zwicky, když zjistil, že se členové Kupy galaxií ve Vlasech Bereniky pohybují v průměru rychleji, než by odpovídalo gravitačním účinkům viditelné látky. Existují také teorie, které se pokoušejí vysvětlit rotační křivky galaxií a pohyby galaxií v kupách jiným způsobem než temnou hmotou.. Prostredníctvom sledovania okolitých trpasličích galaxií, hviezdokôp a hviezdnych prúdov je možné odvodiť vlastnosti hala, keďže práve v týchto vzdialených oblastiach naše halo interaguje s týmito objektmi. Podľa našich pôvodných predpokladov má halo byť sférické a symetrické, no ukazuje sa, že v skutočnosti má predĺžený, natiahnutý a naklonený tvar. Okrem toho nám tieto výskumy pomohli presnejšie zmerať hmotnosť Mliečnej cesty a našich najbližších galaktických susedov.

Hviezdne prúdy

V Galaktickom hale ešte chvíľu ostaneme a pozrieme sa bližšie na spomínané hviezdne prúdy (galaktickým prúdom sa venuje aj bulletin AB 47/2020). Naša Galaxia sa nevyvíjala izolovane, ale zažila množstvo zrážok a interakcií s okolitými galaxiami, ktoré sú zodpovedné za jej dnešnú podobu. Dôkazy o týchto interakciách nachádzame vo hviezdnych prúdoch, čo sú zoskupenia hviezd, ktorých trajektórie sú nezvyčajne eliptické a výrazne naklonené. Chemické zloženie týchto hviezd je takisto odlišné od ostatných hviezd v okolí, čo svedčí o mimogalaktickom pôvode týchto zoskupení. Rôzne hviezdne prúdy sú pozostatkom rôznych kolízií, pričom Gaia objavila najvýraznejšiu z nich – zrážku s galaxiou Gaia-Enceladus. K tejto interakcii došlo pred asi desiatimi miliardami rokov, keď bola naša Galaxia výrazne menšia a tieto zrážky takisto výrazne prispeli k nárastu našej Galaxie do súčasného stavu.

Umelecké zobrazenie hviezdnych prúdov v Mliečnej ceste, tvorených rôznymi populáciami hviezd. Rozličné hviezdne prúdy sú pozostatkami interakcií s okolitými galaxiami, ku ktorým došlo opakovane v rôznych obdobiach života našej Galaxie. Zdroj: S. Payne-Wardenaar, K. Malhan, MPIA.

Nezvyčajné javy v Mliečnej ceste

Gaia odhalila aj mnoho iných fascinujúcich štrukturálnych javov vo vnútri Mliečnej cesty. Identifikovala napríklad najväčšiu plynnú štruktúru, aká bola kedy videná v našej Galaxii – tenký, zvlnený pás oblastí známych ako hviezdne jasle – miest kde sa rodia nové hviezdy. Nie je jasné ako táto štruktúra, ktorá dostala meno Radcliffova vlna, vznikla, no keďže sa nachádza blízko Zeme, vieme, že naše Slnko s ňou prichádza do kontaktu.

Ďalšou štruktúrou, o ktorej sme vedeli dlhšie, je Miestna bublina, nezvyčajne prázdna oblasť v medzihviezdnom priestore, ktorou prechádza aj Slnko. Vďaka dátam z Gaie sa nám podarilo po prvý krát prísť s vysvetlením ako táto 1 000 svetelných rokov veľká štruktúra vznikla. Dôvodom je séria explózií supernov, ktoré pred asi 14 miliónmi rokov spôsobili odtlačenie medzihviezdneho plynu smerom von a vytvorili bublinovú štruktúru. Vo vonkajšom disku zase Gaia odhalila zaujímavé vlákna, ktoré sa považujú za pozostatky starých špiralných ramien, ktoré vznikli v dôsledku interakcií so satelitnými galaxiami a postupne sa rozpadajú.

Ako sme mohli vidieť, Gaia nielen priniesla významné objavy o našej Galaxii, ale úplne zmenila naše predstavy o tom, čo sa v Mliečnej ceste deje. Kým donedávna sme Galaxiu považovali za stabilný, plne vyvinutý objekt, dnes jednoznačne vidíme, že Galaxia je stále v dramatickom vývoji, prebieha rôznymi procesmi a nie je ani zďaleka v rovnovážnom stave. Okrem toho výrazne interaguje s okolitými, menšími galaxiami, ktoré očividně ovplyvňujú miestne dianie. Naše predstavy o Galaxii sa teda výrazne zmenili a čaká nás ešte veľa práce, kým získame kompletnú predstavu o vývoji našej Galaxie.

Umelecké znázornenie Miestnej bubliny, miesta s veľmi riedkym obsahom
medzihviezdneho materiálu. Zdroj: Leah Hustak, STScI.

Odkazy