Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 11 – vyšlo 14. března, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

ATLAST – hledání života na cizích planetách

Petr Panchártek

Nové technologie a zvětšující se průměry teleskopů ovlivňují astronomické objevy již čtyři staletí. Hubblův dalekohled je největší optický astronomický vesmírný dalekohled s přesahem do ultrafialové a infračervené oblasti spektra, který významně prohloubil naše znalosti astrofyziky. Univerzálnost dalekohledu HST dovolila průkopnické objevy, které si jeho stavitelé nedokázali ani představit. V následujících dvou desetiletích lze očekávat další objevy spojené s nástupem nové generace pozorovací techniky. Nástupcem Hubblova dalekohledu by se měl stát Vesmírný dalekohled Jamese Webba se zrcadlem o průměru 6,5 metru. Dalekohled určený zejména pro infračervený obor je společným dílem vesmírných agentur 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., ESAESA – 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 CSACSA – Canadian Space Agency, Kanadská kosmická agentura existující od roku 1989. Agentura provozuje několik družic pro pozorování Země (RADARSAT, SCISAT), komunikační družice (MSAT, ANIKA) a vědecké družice (například CASSOPE a MOST).. Přestože investice pro cestu vpřed jsou značné a základní potřebné technologie již existují, je start neustále odsouván – naposledy na rok 2018.

Připravuje se již ale i další generace (pro období po roce 2020) vesmírných misí pro současné pozorování v ultrafialovém, optickém a blízkém infračerveném oboru. Takové vícespektrální pozorování v rozsahu vlnových délek od přibližně 110 nm do 2 200 nm se označuje zkratkou UVOIR (UltraViolet, Optical, InfraRed). Jednou z nich je mise ATLAST (Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope) s uvažovanou primární aperturou o průměru od 8 do 16 m. Plánovaná mise umožní provádět některá z nejnáročnějších pozorování a odpovědět na některé z našich nejpalčivějších otázek, jako například: „Nalezneme život i jinde v naší Galaxii?“ Uvažují se dvě různé architektury dalekohledu s podobným návrhem optiky. První varianta předpokládá dalekohled s monolitickým primárním zrcadlem a druhá dalekohled s velkým segmentovaným zrcadlem. Částečně je možné se inspirovat předchozími návrhy HSTHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009. a JWSTJWST (James Webb Space Telescope) – James Webb Space Telescope, vesmírný dalekohled Jamese Webba, následovník Hubblova dalekohledu připravený třemi kosmickými agenturami: americkou NASA, evropskou ESA a kanadskou CSA. Dalekohled vynesla do vesmíru evropská nosná raketa Ariane na konci roku 2021. Je umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. Průměr segmentovaného zrcadla je 6,5 m. Dalekohled je pojmenován po řediteli NASA, který Ameriku úspěšně dovedl k přistání na Měsíci. Dalekohled Jamese Webba je určený primárně pro pozorování v infračerveném oboru., nicméně je nutné minimalizovat hmotnost a složitost zařízení.

V tomto bulletinu Vás seznámíme s koncepcí mise ATLAST a popíšeme nejdůležitější technologické detaily. Mezi ně patří zrcadla, snímání vlnoplochy a řídicí systém, detektory a systém potlačení záření hvězd (pro pozorování exoplanet a jiné vysoce kontrastní zobrazovací aplikace). Zkušenosti s JWST ukázaly, že konkurenční prostředí umožňuje dosáhnout obrovského pokroku techniky i při zachování stavebních nákladů ve stejném měřítku jako u předchozích velkých observatoří.

Dalekohled o průměru 8 metrů s monolitickým zrcadlem, který bude pátrat
po životě na cizích planetách. Zdroj [2]

HST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009.

JWST (James Webb Space Telescope) – James Webb Space Telescope, vesmírný dalekohled Jamese Webba, následovník Hubblova dalekohledu připravený třemi kosmickými agenturami: americkou NASA, evropskou ESA a kanadskou CSA. Dalekohled vynesla do vesmíru evropská nosná raketa Ariane na konci roku 2021. Je umístěn v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. Průměr segmentovaného zrcadla je 6,5 m. Dalekohled je pojmenován po řediteli NASA, který Ameriku úspěšně dovedl k přistání na Měsíci. Dalekohled Jamese Webba je určený primárně pro pozorování v infračerveném oboru.

Albedo – míra odrazivosti povrchu tělesa. Jde o poměr dopadajícího a odraženého elektromagnetického záření vyjádřený zpravidla v procentech nebo desetinných číslech. Pokud není specifikováno jinak, jde o viditelné světlo a kolmý dopad. Například albedo sněhu je 90 % (0,9), albedo oceánů maximálně 10 % (0,1), Země má celkové albedo 31 % (0,31) a Měsíc 12 % (0,12).

Biosignatura – jakákoliv látka (prvek, izotop, molekula) nebo jev, které jsou průvodními znaky dřívějšího nebo současného života.

Exoplaneta – 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.

Koronograf – původně přístroj k pozorování koróny Slunce, ve kterém je vlastní povrch Slunce zakryt, aby nerušil pozorování. Koronograf se používá i k pozorování okolí hvězd. Samotná hvězda je zakryta a koronograf zobrazuje její okolí, například protoplanetární disky nebo planety.

Obyvatelná zóna – oblast vzdálenosti od mateřské hvězdy, ve které se může nacházet život. Planety se musí nacházet ve správné vzdálenosti od mateřské hvězdy – nesmí být příliš horké ani příliš studené. Tyto podmínky závisí především na velikosti a teplotě hvězdy; rozmezí vhodně klesajících teplot se vzrůstající vzdáleností pak vymezuje obyvatelnou zónu v okolí hvězdy.

Okulter – objekt, přírodní nebo umělý, který blokuje chod světla z jiného objektu k pozorovateli. Měsíc je například okulterem během zatmění Slunce.

Spektrum – rozklad elektromagnetického záření (většinou světla) na jednotlivé vlnové délky. Zpravidla se provádí za pomoci hranolu nebo mřížky. Spektrum slunečního světla může také vzniknout na vodních kapkách jako duha. Ve spektru se nachází kontinuum (spojitě se měnící barvy) a charakteristické spektrální čáry. Světlé se nazývají emisní (vznikají emisí fotonů) a tmavé absorpční (vznikají absorpcí fotonů).

ATLAST: vědecká motivace

K průlomu chápání astrofyzikálních jevů často dochází při vybudování přístroje, který má citlivost a rozlišení výrazně vyšší než jeho předchůdci. ATLAST je bezesporu takovým kandidátem. Jeho úhlové rozlišení na vlnové délce 500 nm je 12 úhlových milivteřin. Dalekohled bude mít extrémně vysokou citlivost, vynikající stabilitu a nízký šum z pozadí. ATLAST umožní detekci výskytu vzácných biosignaturBiosignatura – jakákoliv látka (prvek, izotop, molekula) nebo jev, které jsou průvodními znaky dřívějšího nebo současného života. ve spektru povrchu exoplanet, zaměří se na sledování procesů při vzniku hvězd a bude sledovat složitou interakci mezi temnou 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., Galaxií a mezigalaktickým prostorem. Pozorovací schopnosti dalekohledu jsou velkým skokem oproti předchozím přístrojům (HUbble má průměr „jen“ 2,4 metru a start JWST je stále nejistý). Proto nelze zcela přesně předpovědět rozmanitost zkoumaných jevů ani samotný směr výzkumu. Totéž potkalo kdysi Hubblův dalekohled – jeho tvůrci nepředpokládali, že bude sledovat atmosféry exoplanetExoplaneta – 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. o hmotnosti JupiteruJupiter – největší a nejhmotnější (1,9×10²⁷ kg) planeta Sluneční soustavy má plynokapalný charakter a chemické složení podobné Slunci. Se svými mnoha měsíci se Jupiter podobá jakési „sluneční soustavě“ v malém. Jupiter má, stejně jako všechny obří planety, soustavu prstenců. Rychlá rotace Jupiteru (s periodou 10 hodin) způsobuje vydouvání rovníkových vrstev a vznik pestře zbarvených pásů. Charakteristickým útvarem Jupiterovy atmosféry je Velká rudá skvrna, která je pozorována po několik století. Atmosféra obsahuje kromě vodíku a helia také metan, amoniak a vodní páry. Teplota pod oblaky směrem ke středu roste. Na vrcholcích mraků je −160 °C, o 60 km hlouběji je přibližně stejná teplota jako na Zemi. Proudy tekoucí v nitru (v kovovém vodíku) vytvářejí kolem Jupiteru silné dipólové magnetické pole., ani že se bude podílet na měření rychlosti kosmické expanze pomocí vzdálených supernovSupernova – rozmetání podstatné části hvězdy, při kterém vznikne extrémně jasný objekt, jehož svítívost se o více než 4 řády zvýší. Minimálně 10 % hmotnosti původní hvězdy se přemění na energii exploze. Svítivost posléze klesá v průběhu týdnů či měsíců. K tomuto konci vedou dvě možné cesty: 1) jedná se o velmi hmotnou hvězdu, která ve svém jádře vyčerpala zásoby paliva a začala se hroutit pod silou své vlastní gravitace na neutronovou hvězdu, nebo černou díru; 2) jedná se o bílého trpaslíka, který nahromadil materiál od svého hvězdného průvodce, dosáhl Chandrasekharovy meze a prodělal objemovou termonukleární explozi.. Je tedy pravděpodobné, že ATLAST bude mít uplatnění, které daleko předčí vize dnešních astronomů.

Existuje život jinde v Galaxii?

Jsme na pokraji odpovědi na dvě otázky měnícího se paradigmatu: Existují jiné planety, které vypadají jako Země? Skrývá se na nich v našem blízkém okolí život? Nástroje pro odpověď na první otázku již existují, jde například o observatoře KeplerKepler – sonda NASA z roku 2009 určená především pro vyhledávání exoplanet. Na palubě má Schmidtův dalekohled o průměru 1,5 metru a fotometr složený z 42 CCD čipů. Pozoruje fixní výsek oblohy v souhvězdí Labutě o průměru 12°. V roce 2012 byla mise prodloužena do roku 2016. V roce 2013 nastala porucha na mechanické části, kvůli které byla činnost dalekohledu dočasně pozastavena. Oprava se ukázala nemožná, proto došlo k výrazné modifikaci pozorovacích programů a mise s jinými než původně plánovanými objekty pokračuje dál. či COROTCOROT – COnvection ROtation and planetary Transits, evropská družice, která vznikla na základě spolupráce Francouzské kosmické agentury a Evropské kosmické agentury. Hlavní úlohou je hledání exoplanet. Název má připomínat francouzského malíře Jeana Baptista Camilla Corota. Družice startovala na konci roku 2006 z kosmodromu Bajkonur. Družice je ve výšce 900 km, má hmotnost 670 kg a dalekohled o průměru 27 cm. Doba mise se předpokládala na 2,5 roku, ale postupně byla prodlužována až do roku 2015. V roce 2012 bylo ztraceno spojení se sondou. Pokusy o jeho obnovení byly zatím neúspěšné.; na druhou otázku by mohla být odpověď známa do deseti až dvaceti let.

Obyvatelná zóna hvězdy. Zdroj: [7].

Jak se život na exoplanetách bude v této misi hledat? Nejprve odborníci vytipují z katalogu HipparcosHipparcos – HIgh Precission PAralax COllecting Satellite, astrometrická družice ESA, která byla provozována v letech 1989 až 1993. Proměřovala s vysokou přesností polohy a paralaxy blízkých hvězd. Výsledkem je katalog 120 000 hvězd s vysokou přesností určení polohy a katalog Tycho s dalšími 400 000 hvězdami popsanými s nižší přesností. [3] vhodné hvězdy spektrální třídySpektrální třída – rozdělení hvězd podle charakteristik jejich spekter do základních tříd W, O, B, A, F, G, K, M, L, T. Nejteplejší, modrofialové hvězdy mají spektrum označené W, nejchladnější hvězdy spektrálních tříd M, L a T jsou červené. Spektrální třída odpovídá zejména povrchové teplotě hvězdy. F, G nebo K. V době letu dalekohledu ATLAST bude již k dispozici také mnohem podrobnější katalog z observatoře Gaia (viz AB 2/2014). Dalekohled musí mít takovou aperturuApertura – využitelný průměr čočky objektivu, primárního zrcadla dalekohledu nebo jiného optického zařízení., aby u vybraných hvězd rozlišil vnitřní část obyvatelné zóny na vlnové délce 760 nm, což je absorpční čára molekuly kyslíku O₂, jejíž přítomnost je považována za jeden z indikátorů života. Předpokládá se, že prakticky dosažitelné úhlové rozlišení dalekohledu je přibližně 3λ/D, kde λ je vlnová délka a D je apertura dalekohledu. Dalším předpokladem je, že v obyvatelné zóně obíhá dvojče Země nebo tzv. „superzemě“ s hmotností maximálně několikanásobku naší Země. Rozdíl magnitudyMagnituda – někdy též zdánlivá magnituda, logaritmická míra jasnosti objektu, m = −2,5 log J. Tato definiční rovnice se nazývá Pogsonova rovnice (zavedl ji anglický astronom Norman Pogson v roce 1856). Koeficient je volen tak, aby hvězdy s rozdílem pěti magnitud měly podíl vzájemných jasností 1:100. Znaménko minus v definici je z historických důvodů. Magnitudy takto vypočtené odpovídají historickému dělení hvězd do šesti skupin (nula nejjasnější, 5 nejméně jasné pozorovatelné okem). Nejjasnější hvězda na severní polokouli Arcturus má magnitudu −0.05, nejjasnější hvězda celé noční oblohy, Sírius, má magnitudu –1.6. Relativní magnituda vypovídá o skutečné jasnosti hvězdy na obloze, která kromě svítivosti závisí také na vzdálenosti hvězdy. Rozlišujeme bolometrickou magnitudu (v celém spektru) a vizuální magnitudu (pouze ve viditelném spektru). hvězdy a superzemě se předpokládá přibližně Δm = 25. Vlastní svit hvězdy musí být potlačen (v koronografuKoronograf – původně přístroj k pozorování koróny Slunce, ve kterém je vlastní povrch Slunce zakryt, aby nerušil pozorování. Koronograf se používá i k pozorování okolí hvězd. Samotná hvězda je zakryta a koronograf zobrazuje její okolí, například protoplanetární disky nebo planety. nebo okulteremOkulter – objekt, přírodní nebo umělý, který blokuje chod světla z jiného objektu k pozorovateli. Měsíc je například okulterem během zatmění Slunce.) nejméně o 25 magnitud (v poměru 10⁻¹⁰). Pokud se vezme v úvahu účinnost detekce, šum přístrojů a další faktory, vychází, že šance na úspěšné hledání života ve hvězdném okolí vyžaduje vesmírný dalekohled s velikostí apertury nejméně 8 metrů.

Průměrný počet F, G a K hvězd dostupných pro pozorování pro situaci, kdy je poměr signálu spektrální čáry k šumu roven 10, spektrální citlivost λ/Δλ = 70 a spektrum je pořízeno za čas kratší než 500 000 sekund. Na vodorovné ose je apertura dalekohledu D. Počet hvězd roste se třetí mocninou apertury. Zdroj: [1].

V následující tabulce jsou očekávané signály z hypotetického dvojčete naší Země. K sestavení tabulky byla použita jednak přímá měření spektra světla odraženého od Země a jednak matematický model spektra. Předpokládalo se, že se exoplaneta nachází ve správné vzdálenosti od mateřské hvězdy a že je pozorována tak dlouho, aby poměr signálu referenčního kontinua k šumu dosáhl hodnoty 10 při spektrálním rozlišení v červeném světle (λ/Δλ) 70. Základní signál z atmosféry je posunutý díky Rayleighovu rozptylu k modré barvě (proto je obloha na Zemi modrá, viz AB 25/2012). Signál molekulárního kyslíku a ozónu je jedním z indikátorů života na Zemi. Ozón chrání planetu před ultrafialovým zářením, molekulární kyslík vytvářejí rostliny a dýchají zvířata. Z rozdílů odraženého signálu od povrchu planety a od mraků lze určit rotaci planety. Na vlnách delších než 720 nm se ze zvýšeného albedaAlbedo – míra odrazivosti povrchu tělesa. Jde o poměr dopadajícího a odraženého elektromagnetického záření vyjádřený zpravidla v procentech nebo desetinných číslech. Pokud není specifikováno jinak, jde o viditelné světlo a kolmý dopad. Například albedo sněhu je 90 % (0,9), albedo oceánů maximálně 10 % (0,1), Země má celkové albedo 31 % (0,31) a Měsíc 12 % (0,12). pozná přítomnost vegetace na povrchu planety. Signál H₂O je primárním předpokladem života pozemského typu. ATLAST umožní shromažďovat značné množství informací o exozemích včetně časových změn signálu. Takovéto změny nás informují o povaze dominantních povrchových útvarů, změnách oblačnosti (počasí), sezónním kolísání plochy vegetace a změnách klimatu. Zjišťování takových změn vyžaduje opakovaná pozorování.

Pokud bude mít dalekohled ATLAST k dispozici zrcadlo o průměru 8 metrů a bude vybaven vnitřním koronografemKoronograf – původně přístroj k pozorování koróny Slunce, ve kterém je vlastní povrch Slunce zakryt, aby nerušil pozorování. Koronograf se používá i k pozorování okolí hvězd. Samotná hvězda je zakryta a koronograf zobrazuje její okolí, například protoplanetární disky nebo planety., bude možné v průběhu pěti let pozorovat vzorek sta různých hvězdných soustav a každou z nich pozorovat třikrát. Verze se zrcadlem o průměru 16 m (s vnitřním koronografem) by mohla navštívit až 250 různých hvězd, opět každou z nich třikrát v období 5 let. V případě, že by namísto koronografu byl instalován vnější okulterOkulter – objekt, přírodní nebo umělý, který blokuje chod světla z jiného objektu k pozorovateli. Měsíc je například okulterem během zatmění Slunce. a požadovali bychom trojnásobné pozorování všech objektů ze vzorku v průběhu pěti let, poklesl by počet členů vzorku na 85 (jak pro průměr 8 m, tak pro průměr 16 m). Základním omezením je totiž tranzitní čas okulteru. Využívání více okulterů by toto omezení odstranilo.

charakteristický rys ve spektru	λ (nm)	Δλ (nm)	SNR (–)	Význam
referenční kontinuum	~750	11	10
vzduchový sloupec	500	100	4	ochranná atmosféra
ozón (O₃)	580	100	5	zdroj kyslíku; UV štít
molek. kyslík (O₂)	760	11	5	fotosyntéza, dýchání
odraz mrak/povrch	750	100	30	známka rotace
odraz na vegetaci	770	100	2	oblast vegetace
vodní páry (H₂O)	940	60	16	potřebné pro život

Spektrální charakteristiky obyvatelnosti a indikátory života. Ve sloupci SNR je podíl
užitečného signálu k šumu. Zdroj: [1].

S misí ATLAST budeme schopni určit, zda jsou exoplanety nacházející se v obyvatelné zóně opravdu obyvatelné a zda vykazují známky života pozemského typu (jedná se o naše bezprostřední okolí do vzdálenmosti řádově 100 světelných roků). Za základní indikátory života se považuje přítomnost kyslíku, vody a ozónu. Dalekohled ATLAST bude také poskytovat užitečné informace o složení a velikosti atmosféry exoplanet, nalezne kontinenty a oceány, změří dobu rotace exoplanety a míru proměnlivosti počasí. Mise ATLAST ale není určena jen pro hledání mimozemského života. Jde o vesmírnou observatoř, která bude pozorovat nejvzdálenější galaxie a pokusí se odpovědět na základní kosmologické otázky původu temné hmoty a temné energie. O tom ale až příště.

Pokračování příště (kosmologické cíle a technické parametry)

Umělecké ztvárnění superzemě, planety podobné naší Zemi. Zdroj: Wikimedia

Odkazy