Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 16 – vyšlo 25. dubna, ročník 12 (2014)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Trochu zvláštní zatmění aneb gravitační čočka v akci

Petr Kulhánek

Jednou z nejběžnějších metod hledání 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. jsou jejich přechody (tranzity) přes mateřskou hvězdu. Planeta přecházející přes hvězdný disk sníží celkový tok světla přicházející z hvězdy a na světelné křivce se objeví charakteristický pokles intenzity. Při analýze dat z družice Kepler objevili vědci z Washingtonské univerzity velmi zvláštní systém. Nešlo o exoplanetu, ale o bílého trpaslíkaBílý 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. přecházejícího přes disk hvězdy podobné našemu SlunciSlunce – 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.. Na tom by nebylo ještě nic divného, podobných dvojhvězd je velké množství. Jenže světelná křivka při zákrytu vypadala, jako by byla naruby. Namísto minima bylo patrné maximum intenzity. Celý jev je způsoben tím, že bílý trpaslík funguje jako gravitační čočka a zesílí světlo hvězdy v pozadí. Jde o první objevený objekt tohoto druhu.

Tranzit bílého trpaslíka přes hvězdu hlavní posloupnosti

Umělecká vize tranzitu bílého trpaslíka přes hvězdu hlavní posloupnosti.
Zdroj: NASA/JPL-Caltech.

Gravitační interakce – interakce působící na všechny částice bez výjimky. Má nekonečný dosah a její intenzita ubývá s kvadrátem vzdálenosti. Současnou teorií gravitace je obecná relativita publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Podle této teorie kolem sebe každé těleso zakřivuje prostor a čas a v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Obecná relativita předpověděla řadu jevů, které z Newtonovy teorie gravitace nevyplývají.

Gravitační čočka – efekt gravitační čočky předpověděl v roce 1924 ruský fyzik Orest Chvolson a v roce 1936 Albert Einstein. Hmotný objekt (zpravidla velká galaxie) ležící mezi zdrojem záření a pozorovatelem zakřivuje světelné paprsky podobně jako skleněná čočka v laboratoři. Jsou-li objekty dokonale na přímce, vznikne jako obraz vzdálené galaxie tzv. Einsteinův prstenec. Jsou-li objekty mimo osu, vznikne buď oblouk, několikanásobný obraz nebo zdeformovaný obraz vzdálené galaxie či kvazaru. První gravitační čočka byla objevena v roce 1979.

Tranzit – přechod nebeského tělesa přes jiné těleso. Příkladem může být situace, kdy z místa pozorovatele přechází (většinou opakovaně) exoplaneta přes mateřskou hvězdu. Klíčovými parametry tranzitu jsou: počátek tranzitu (vstup), střed tranzitu, konec tranzitu (výstup) a hloubka tranzitu neboli pokles magnitudy pozorovaného tělesa způsobený přechodem.

Kepler – 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.

Gravitační čočky

Gravitační čočka funguje obdobně jako obyčejná skleněná čočka. Mění chod světelných paprsků ze vzdáleného objektu. Rozdíl spočívá v tom, že namísto lomu na povrchu skleněné čočky dojde ke změně chodu paprsků za pomoci gravitace. Mezilehlý objekt pokřiví prostoročas a světlo vzdáleného objektu je při cestě k pozorovateli pozměněno. Nejčastěji jde o pouhé zdeformování obrazu, ale při vhodné konfiguraci může dojít k zesílení obrazu vzdáleného objektu. Pomocí tohoto jevu můžeme například v obrovské vzdálenosti pozorovat rodící se galaxie, které by jinak zůstaly našim přístrojům skryty. A přitom k tomu postačí vhodná gravitační čočka někde mezi námi a sledovanou galaxií.

Jev gravitační čočky nemusí způsobovat jen obří galaxie ležící mezi námi a vzdálenějším objektem. Může jít o mnohem menší tělesa, například hvězdu přecházející před jinou hvězdou. Svit vzdálenější hvězdy je zesílen mezilehlou hvězdou. Jev je samozřejmě málo častý, ale při sledování obrovského množství hvězd občas pozorovatelný. Pokud má mezilehlá (čočkující) hvězda průvodce, například planetu, dojde k dalšímu zesílení světla vzdálené hvězdy a na světelné křivce se objeví lokální maximum. Celému jevu se říká mikročočkování a je využíváno k objevu extrasolárních planet.

Jev gravitační mikročočky slouží k objevování exoplanet. Zdroj: NASA/GSFC/WFIRST.

V roce 1973 předpověděl švýcarský astronom André Maeder, že by při tranzitu jedné složky dvojhvězdy před druhou mohlo dokonce dojít k zvýšení intenzity celkového signálu z obou těles, a to právě díky gravitačnímu čočkování. Jev by měl probíhat při přechodu malého kompaktního objektu přes disk druhé složky. Namísto očekávaného zeslabení signálu daného prostým součtem intenzit z obou těles (jedno těleso zakryje druhé a intenzita by měla poklesnout) by při vhodné konfiguraci mohlo dojít k opačnému jevu.

Modelová situace, na které je zobrazeno, jak by vypadal oběh hypotetického bílého trpaslíka (znázorněn modře) kolem našeho Slunce. Dolní zelená linie ukazuje tranzit před Sluncem, čárkovaná zelená linie pohyb bílého trpaslíka za Sluncem. Nalevo a napravo jsou dvě zvětšené situace z tranzitu. Bílou čárkovanou čárou je označen Einsteinův prstenec. Patrné je zesílení světla Slunce a jeho deformace. Zejména dobře je vidět vliv gravitační mikročočky na skupinu skvrn na slunečním povrchu. Snímek Slunce pochází ze sondy SDO. Zdroj [1].

Objekt KOI-3278

Observatoř Kepler slouží především k hledání extrasolárních planet (viz AB 10/2009). V dubnu 2014 nás výsledky z této družice překvapily hned dvakrát. Dne 17. dubna 2014 byl oznámen objev první extrasolární planety s hmotností srovnatelnou s naší Zemí. A o pouhý den později byl publikován článek [1] o podivném objektu KOI-3278, který byl jedním z nadějných kandidátů na další exoplanetu. Šlo o hvězdu podobnou našemu Slunci, která se nachází ve vzdálenosti 2 600 světelných roků v souhvězdí Lyry. Observatoř Kepler nalezla signál, který měl na světelné křivce pravidelná minima s periodou 88,18 dní. Zdálo se, že hvězdu obíhá exoplaneta. Při podrobnějším průzkumu Ethanem Krusem a Ericem Agolem z Washingtonovy univerzity v Seattlu se ukázalo, že na světelné křivce jsou také zjasnění o 0,1 %, která trvají 5 hodin. Po podrobných propočtech došli oba vědci k závěru, že kolem hvězdy obíhá bílý trpaslík. Celkový signál je zeslaben, když je trpaslík za hvězdou, a gravitační čočkou zesílen, když je trpaslík před hvězdou. Čtyři desetiletí po předpovědi Andrého Maedera byl tak konečně nalezen objekt, u něhož gravitační čočkování zvýší intenzitu světla přicházející z binárního systému, u něhož z pohledu od naší Země dochází k pravidelným zákrytům jednoho tělesa druhým.

Světelná křivka objektu KOI-3278. Na horních obrázcích jsou maxima (bílý trpaslík je před hvězdou a dochází ke gravitačnímu čočkování), na dolních obrázcích jsou minima (bílý trpaslík je za hvězdou). Na vodorovné ose je čas ve dnech a na svislé ose relativní intenzita. Zdroj: Kepler/Washingtonova univerzita; [1].

Odkazy