Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 7 – vyšlo 13. února, ročník 13 (2015) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

7/2015

Planck – spanilá jízda pokračuje

Petr Kulhánek

Není to tak dávno, co jsme informovali (viz AB 42/2014) o konferenci v italské Ferraře, na které zazněly první zprávy ze zpracování záznamů polarizacePolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle roviny kmitů elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. 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)., jejichž výsledkem byly mj. fascinující mapy galaktického magnetického pole, za něž by se nemusel stydět žádný abstraktní malíř. Uběhlo jen několik týdnů a jsou zde další převratné novinky. Dne 5. února 2015 byl do centrálního archivu PLA (Planck Legacy Archive) přidán druhý balíček kosmologických výsledků, ve kterém najdete nejen výsledky z italské konference, ale i pořízené mapy, napozorovaná data, software, modely a zejména dva nové katalogy kompaktních objektů. Snaha ESA je soustředit veškeré výsledky na jediné webové adrese. Dřívější adresy zůstávají v platnosti, jen jsou přesměrovány do centrálního archivu, kde je vše takříkajíc pod jednou střechou. Ke stejnému datu byly také zveřejněny mapy polarizace reliktního záření, na jejichž základě byl datován okamžik vzniku prvních hvězd ve vesmíru, který vychází o 150 milionů let později, než se dosud předpokládalo na základě měření sondy WMAPWMAP – Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, sonda z roku 2001, která pořídila podrobnou mapu fluktuací reliktního záření s úhlovým rozlišením kolem 15′ a citlivostí 20 μK. Zrcadlo sondy mělo rozměry 1,4×1,6 m a teplota chlazené části byla nižší než 95 K. Data sondy jsou důležitým zdrojem informací o raných fázích vývoje vesmíru, většinou se kombinují s daty z pozemských zařízení jako je CBI a ACBAR a s daty z novější sondy Planck. Sonda byla umístěna v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce, kde pracovala do 28. října 2010..

Oficiální logo mise Planck

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. 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. Reliktní 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). Polarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle roviny kmitů elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. 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.

Centrálni archiv

Přestěhování všech výsledků do jediného archivu je vynikajícím počinem. Je zde soustředěna většina dat pořízených sondou Planck, bohužel některá dostupná jen za úplatu. Najdeme zde výsledné celooblohové mapy v jednotlivých frekvenčních pásmech, ale i mapy neúplné, tak jak postupně vznikaly v rámci jednotlivých přehlídek. Nejmenší soubory v tomto oddíle mají stovky megabytů, největší více než gigabyte. Velmi užitečné jsou katalogy kompaktních objektů. Jsou řazeny podle let i podle frekvencí a druhu objektu. Samostatně jsou publikovány Sunjajevovy-Zeldovičovy objekty (SZ objekty) – zjasnění mikrovlnného signálu, za které je zodpovědné ohřátí reliktního záření při průchodu velmi vzdálenou kupou galaxií, v níž fotony reliktního záření získají energii při interakci s horkými elektrony kupy. Tyto objekty jsou kandidáty na velmi vzdálené kupy galaxií, které bychom jiným způsobem nebyli schopni identifikovat. V archivu jsou hned tři verze katalogů těchto objektů. V nejstarší z roku 2012 (ERCSC, Early Release Compact Source Catalogue) jsou SZ objekty řazeny společně s jinými kompaktními objekty. Je jich zde 189, z toho u 169 jde o známé kupy galaxií. Samostatně jsou SZ objekty řazeny jak v katalogu z roku 2013 (PCCS-SZ-1, 1 227 objektů), tak v nové verzi z roku 2015 (PCCS-SZ-2). Zkratka PCCS znamená Planck Cataloguie of Compact Sources.

V sekci kosmologie lze nalézt kosmologické parametry určené z měření observatoře Planck, spektra získaná z frekvenční analýzy fluktuací reliktního záření i další data. Archiv obsahuje návody na jeho použití i na zpracování dat v něm obsažených. Součástí archivu jsou také publikované výsledky mise Planck, software, externí data, návody, soubor s aktualizacemi a další užitečné informace.

První nadkupa galaxií objevená v roce 2010 za pomoci Sunjajevova-Zeldovičova jevu. Nalevo je mikrovlnný snímek z Plancku, napravo je zachycena stejná oblast z rentgenové observatoře XMM-Newton. Za rentgenové zjasnění jsou zodpovědné horké elektrony kupy. Podobnost obou signálů je zjevná a oba přístupy nezávisle dokazují existenci kupy. Zdroj: ESA/XMM-Newton, ESA/Planck.

Mapy polarizace

Reliktní 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). je už při svém vzniku na konci Velkého třesku polarizovanéPolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle roviny kmitů elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla.. Za polarizaci je zodpovědná interakce fotonůFoton – 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. s volnými 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.. Pokud přicházejí fotony z různých směrů s různými frekvencemi (například z různě teplých oblastí), rozkmitaný elektron následně vyzařuje polarizované světlo. Podmínkou vzniku polarizovaného světla touto cestou jsou tedy volné elektrony, které ve vesmíru byly v závěru Velkého třesku. Na konci Velkého třesku se elektrony staly součástí atomárních obalů, světlo s nimi přestalo interagovat a oddělilo se od látky. Skončil Velký třesk (plazmatická éra vesmíru) a započal temný věkTemný 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., v jehož průběhu světlo interagovalo s látkou velmi málo. Dne 5. února byly zveřejněny mapy polarizace reliktního záření pořízené sondou PlanckPlanck – 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.. Roviny polarizace, které podle dohody znamenají roviny kmitů elektrického pole, jsou v různých směrech různé a při projekci na nebeskou sféru vytvářejí charakteristické obrazce vlnících se čar.

Polarizace reliktního záření. Barevná mapa na pozadí odpovídá rozdílům teplot
reliktního záření od průměrné hodnoty. Zdroj: ESA/Planck.

Výřez z mapy polarizace reliktního záření o velikosti 20°. Zdroj: ESA/Planck.

První hvězdy vznikaly později

V průběhu temného věku ve vesmíru nebyly volné elektrony a reliktní záření se volně šířilo vesmírem. V okamžiku vzniku prvních hvězd byly jejich svitem ionizovány některé atomy, což znamenalo, že se malá část elektronů osvobodila ze svého zajetí v atomárních obalech. Tyto volné elektrony opět začaly interagovat s fotony reliktního záření a způsobily jeho další polarizaci. Proto je možné detailním studiem polarizace reliktního záření zjistit dosti přesně období vzniku prvních hvězd.

Na konci 20. století převládal názor, že první hvězdy ve vesmíru vznikaly zhruba kolem jedné miliardy let jeho věku. Dne 11. února 2003 byly zveřejněny analýzy polarizace reliktního záření pozorovaného americkou sondou WMAP. Na tiskové konferenci zazněl údaj, že první hvězdy ve vesmíru vznikaly velmi brzo, v období kolem 200 milionů let. Během několika dní byla ve výpočtech nalezena chyba a údaj byl opraven na 400 milionů roků. Džina vypuštěného z láhve už ale nikdy nelze zahnat zpět, a tak se dodnes tento chybný údaj objevuje v mnoha astronomických materiálech. K dalšímu výraznému posunu došlo dne 5. února 2015, kdy byly zveřejněny výsledky výpočtu vzniku prvních hvězd na základě analýzy polarizace z dat naměřených mnohem přesnější sondou Planck. Nový údaj je 550 milionů roků, což je o 150 milionů let později, než činil první nepřesný odhad z měření sondy WMAP. Doufejme, že s dalším zpřesněním měření už nebude docházet k výraznějším posunům tohoto důležitého kosmologického parametru. 

20. století	WMAP (2003)	Planck (2015)
kolem 1 miliardy let	400 milionů let	550 milionů let

Představy o období vzniku prvních hvězd.

Umělecká představa velmi raného vesmíru, ve kterém právě vznikají první hvězdy.
Zdroj: NASA/JPL-Caltech/R. Hurt (SSC)

Závěr

Sonda Planck naměřila enormní množství dat. V tuto chvíli je zpracována zhruba polovina jejich objemu, a tak se můžeme těšit na další zajímavé výsledky. Zejména detailní studium polarizace reliktního záření může přinést nečekané zvraty v našich názorech na vesmír, neboť zatím veškeré přístroje měřily polarizaci mikrovlnného signálu s mnohem nižší přesností.

Odkazy