Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 15 – vyšlo 15. dubna, ročník 14 (2016)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Nestydnoucí Panna

Ivan Havlíček

Magnetická pole jsou ve vesmíru všudypřítomná. Své magnetosféry mají planety, hvězdy ba i celé galaxie. V galaktických kupách je mezi galaxiemi různě velké množství mezigalaktické látky, které je nejčastěji v plazmatickém skupenství. Mezigalaktickou látku ale v optickém oboru obvykle nevidíme. V kupách jsou ve viditelném světle pozorovatelné jen galaxie plné hvězd. Děje, které se mezi galaxiemi odehrávají a zejména odpovědi na otázky související s tím, jak to všechno drží pohromadě, zůstávaly dlouho bez uspokojivých odpovědí.

Porovnání obrazu galaktické kupy ve viditelném světle, v němž jsou zřetelné jen jednotlivé galaxie, v nichž svítí hvězdy, s rentgenovým obrazem stejné oblasti, na němž je zřetelný mezigalaktický plyn. Na snímcích je galaktická kupa Abell 1367. Zdroj: Princeton.

Galaktická kupa – největší gravitačně vázané objekty ve vesmíru, z nichž některé dosahují hmotnosti až desetitisícenásobku hmotnosti naší Galaxie. Jsou tvořené třemi hlavními složkami:
– stovkami galaxií obsahujícími hvězdy, plyn a prach,
– obrovskými mraky horkých plynů,
– temnou hmotou zatím neznámé povahy.

Galaxie – 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.

Plazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magnetická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektrického obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství.

Uvnitř kup poblíž jádra je prostředí hustší než v okrajových oblastech. Jedná se o látku ovlivnitelnou magnetickým polem, a pokud se podaří takové mezigalaktické prostředí správným způsobem zobrazit, mělo by být v principu možné otisk magnetického pole přečíst. Jako použitelný způsob zobrazení se nabízí měření 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. ze záznamů v rádiovém nebo rentgenovém oboru. Jde o spektrální obory, v nichž září zejména mezigalaktický plyn. Přenos tepelné energie v takovém prostředí obvykle probíhá ve směru magnetických siločar (nabité částice snadno kloužou podél siločar, napříč je pohyb omezený). Struktura magnetického pole galaktické kupy tedy určuje, jak si galaxie vyměňují energii mezi sebou a s mezigalaktickým prostředím. Pozorným čtením zde můžeme nalézt zprávu o energetické historii celé soustavy. Tímto způsobem lze například určit, zda jádro kupy postupně chladne, nebo zda se udržuje v energeticky vyrovnaném stavu po dobu srovnatelnou s dobou existence celé soustavy. Takové zjištění by pak bylo velmi důležitým poznatkem ve studiu vývoje velkorozměrových struktur.

Kupa galaxií v souhvězdí Panny je jednou z obřích galaktických kup ve vesmíru a současně jde o nejbližší velkou galaktickou kupu. Kupa čítá kolem 2 000 galaxií, její jádro se nachází ve vzdálenosti 54 milionů světelných roků. Hmotnost kupy se odhaduje na 1,2×10¹⁵ hmotností Slunce a kupa zaujímá oblast s poloměrem cca 2,2 Mpc (7,2 Mly). Optická data pro animaci byla převzata z projektu SDSSSDSS – Sloan Digital Sky Survey, ambiciózní projekt přehlídky oblohy podporovaný nadací Alfreda Pritcharda Sloana, která byla založena v roce 1934. Alfred P. Sloan (1875-1976) byl americký obchodník a výkonný ředitel společnosti General Motors po více než dvacet let. Sloanova nadace podporuje také vědu a školství. Projekt katalogizuje všechny galaxie s mezní jasností do 23. magnitudy na čtvrtině severní oblohy. Přehlídka zahrnuje asi 500 miliónů galaxií a ještě více hvězd. U každé galaxie je určena pozice, jasnost a barva. Pro asi milión galaxií a 100 000 kvazarů budou pořízena spektra. Stanice SDSS je postavena v Novém Mexiku v Sacramento Mountains na observatoři Apache Point. Hlavním přístrojem projektu SDSS je dalekohled o průměru primárního zrcadla 2,5 m.. Jelikož jde o nejbližší takto rozsáhlou velkorozměrovou strukturu, je kupa v Panně ideální laboratoří pro studium dějů, které v kupách galaxií probíhají. Zdroj: Rhysy.

Takto vypadá kupa galaxií v Panně v rentgenovém záření, jehož zdrojem je horký mezigalaktický plyn. Jádro kupy je soustředěno okolo obří eliptické galaxie M 87, která se na snímku nalézá ve středu červenofialové skvrnky uprostřed. Barevné oblasti znázorňují různé koncentrace mezigalaktického plynu. Na tomto snímku je názorně patrné, jak hustým prostředím se galaxie uvnitř kupy mohou pohybovat. Zdroj: NASA.

Magnetosféry jednotlivých galaxií pozorovaných v kupě jsou doslova prozářeny svitem hvězd. Světlo hvězd je ale magnetickou obálkou galaxie polarizováno, a pokud změříme jeho polarizaci, získáme tak strukturu pole. Magnetická pole galaxií kolotajících na orbitách kolem jádra kupy a proplouvajících mezigalaktickým prostředím se zákonitě propojí s celkovým polem kupy a budou se vzájemně ovlivňovat. Při pohybu galaxie mezigalaktickým plazmatem se na náletové straně magnetické siločáry zhušťují a na závětrné straně vzniká turbulence. Galaxií jsou v kupách stovky a v některých i tisíce. Veškeré jejich vzájemné pohyby „promíchávají“ strukturu plazmatu v jejich okolí, a tím i mezigalaktickou magnetosféru, v níž vznikají magnetotepelné nestability. Každá galaxie takto při svém pohybu za sebou „zametá“ magnetickou stopu. V prostředí dostatečně bohatém na pohybující se galaxie pak magnetotepelné nestability brání úniku energie do periferních oblastí. Kupa se proto bude dlouhodobě udržovat ve stavu, kdy z jádra do periferních oblastí proudí naprosto zanedbatelné množství energie, a jádro tak „nechladne“.

Obraz galaxie NGC 4654 v optickém (vlevo) a rádiovém oboru (vpravo). Levý obraz pochází z přehlídky SDSSSDSS – Sloan Digital Sky Survey, ambiciózní projekt přehlídky oblohy podporovaný nadací Alfreda Pritcharda Sloana, která byla založena v roce 1934. Alfred P. Sloan (1875-1976) byl americký obchodník a výkonný ředitel společnosti General Motors po více než dvacet let. Sloanova nadace podporuje také vědu a školství. Projekt katalogizuje všechny galaxie s mezní jasností do 23. magnitudy na čtvrtině severní oblohy. Přehlídka zahrnuje asi 500 miliónů galaxií a ještě více hvězd. U každé galaxie je určena pozice, jasnost a barva. Pro asi milión galaxií a 100 000 kvazarů budou pořízena spektra. Stanice SDSS je postavena v Novém Mexiku v Sacramento Mountains na observatoři Apache Point. Hlavním přístrojem projektu SDSS je dalekohled o průměru primárního zrcadla 2,5 m.. Rádiový obraz se zakreslením intenzity rádiového signálu a jeho polarizace je vytvořen podle pozorování radioteleskopu Effelsberg na vlně 3,6 cm. Vodíkový chvost zobrazený tmavomodře, který galaxie zanechává při svém pohybu kupou za sebou, nevykazuje známky polarizace. Zdroje: Yale, UJ.

Galaxie z kupy v Panně zobrazené prostřednictvím HI emise (vysoká intenzita od bílé přes žlutou do nejslabší červené), do níž je promítnuta intenzita (uzavřené obrysové tmavé linie) a polarizace (světlé úsečky) rádiové emise na vlně 6 cm. Ne vždy však sobě rádiový obraz a obraz HI emise odpovídají. Příčinou může být mimogalaktický zdroj rádiového signálu. Zdroj: Nature.

Mapování orientace celkového magnetického pole kupy odvozením ze směru polarizace synchrotronové emise jednotlivých velkých spirálních galaxií. Vlevo jsou dvě galaxie se zobrazením vlastního pole obdobně jako na předchozím zobrazení. Pravý obrázek zahrnuje celkovou mapu kupy z observatoře 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. (oranžová siluetní podkresba) a velké spirální galaxie rozdělené podle radiálních rychlostí. Tento graf je výsledkem přehlídky VIVA Survey (VLA Imaging of Virgo in Atomic gas). Žluté šipky zobrazují orientaci magnetického pole v galaxiích, u nichž lze z rádiových dat velmi dobře rozlišit polarizaci. Zdroj: Nature.

Závěr

V případě kupy galaxií v Panně bylo srovnáním numerických simulací s pozorováními v rádiovém a rentgenovém oboru zjištěno, že jádro kupy poměrně přesně odpovídá předpokladům „promíchávání“ vnitřní magnetické struktury a výše popsaný mechanizmus by tedy mohl být zodpovědný za udržování celé soustavy dlouhodobě v „nevychládajícím“ stavu. Pro vytváření velkoprostorových struktur a jejich následnou dlouhodobou stabilizaci to znamená, že existuje mechanizmus, díky němuž se galaktické kupy mohou nacházet v ustálených podmínkách poměrně dlouhou dobu, alespoň co se jejich vnitřních oblastí týče. Samotné jednotlivé galaxie se v kupě pohybují v energeticky ustáleném prostředí a je dokonce možné, že energii, kterou do mezigalaktického plynu jejich hvězdy a mezihvězdná látka vyzáří, mohou získávat nějakým dosud nepozorovaným mechanizmem zase zpátky.

Pronikání sférického objektu simulujícího galaxii magnetickým polem galaktické kupy. Na náběhové hraně se siločáry zhušťují, zde dochází k synchrotronové emisi, jejíž pozorovaná polarizace prozradí orientaci pole. Na závětrné straně dochází k rozvlnění a turbulenci okolního magnetického pole. Zdroj: University of Toronto.

Odkazy