Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 28 – vyšlo 17. srpna, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

28/2018

Bájný Ikaros a gravitační superčočka

Petr Kulhánek

O gravitačním čočkování uvažoval Albert Einstein už v roce 1912, jeho výpočty se dochovaly v Einsteinově pracovním denníku. Usoudil ale, že půjde o jev natolik nevýrazný, že nebude lidskými prostředky měřitelný a celou věcí se dále nezabýval, ani ji nepublikoval. Podobné úvahy publikoval až anglický astronom Arthur Eddington v roce 1920. Vize gravitačních čočekGravitační 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.  učarovala i ruskému fyzikovi Orestu Chvolsonovi (1852–1934), který se jimi zabýval po roce 1924 a českému elektroinženýrovi Rudi Mandlovi (1894–1948), který emigroval do USA, kde dokonce v roce 1936 přiměl Alberta Einsteina k sepsání zmínky o gravitačních čočkách v článku v časopise Science. Einstein ale nadále považoval tento jev za zanedbatelný a neměřitelný. V tom samém roce se gravitačními čočkami zabýval i český astronom a pedagog František Link (1906–1984). V roce 1937 ukázal švýcarsko-americký astronom Fritz Zwicky (1898–1974), že by efekt nemusel být malý, pokud by čočkujícím objektem nebyla hvězda, ale celá galaxie. První gravitační čočka byla objevena až po Einsteinově smrti v roce 1979. Dnes jsou gravitační čočky běžnou záležitostí, z deformit obrazů vzdálených objektů dokážeme rekonstruovat prostorové rozložení mezilehlé látky včetně temné hmotyTemná 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. a gravitační čočky se využívají i k zobrazování velmi vzdálených objektů. Jedna taková „superčočka“ dokázala vzdálenou hvězdu zjasnit faktorem 2000, a umožnila tak spatřit nejvzdálenější hvězdu, která byla pojmenována Ikaros (na počet bájného letce, jenž svou touhu po poznání zaplatil životem).

Princip gravitační čočky. Mezilehlá kupa galaxií zesiluje světlo vzdáleného objektu.
Zobrazeny jsou tři paprsky procházející různými oblastmi kupy. Zdroj: Subaru

Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. 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. Kupy galaxií – největší gravitačně vázané objekty ve vesmíru tvořené třemi hlavními složkami:  – stovkami galaxií obsahujícími hvězdy, plyn a prach,  – obrovskými mraky horkých plynů,  – temnou hmotou zatím neznámé povahy. Galaxie se liší svou strukturou (spirální, eliptické, nepravidelné,…), vyzařovaným výkonem (neaktivní, radiové, Seyfertovy,…) a zejména svojí hmotností. Hmotnost je miliardy až stovky miliard Sluncí.

Kupa galaxií MACS J1149+2223

Oficiální název této kupy galaxií ze souhvězdí Lva zní poněkud odtažitě: MACS J1149+2223. Kupa byla objevena rentgenovou družicí 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. při přehlídkovém projektu MACS (Massive Cluster Survey). Podobných kup nalezla na konci 20. století družice ROSAT přes stovku. Kupa se nachází ve vzdálenosti přibližně 5 miliard světelných roků a funguje jako skvělá gravitační čočka pro pozorování vzdálenějších objektů. Proto je pravidelně sledována Hubblovým vesmírným dalekohledemHST (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., Spitzerovým vesmírným dalekohledemSST (Spitzer Space Telescope) – Spitzerův vesmírný dalekohled. Kosmická observatoř NASA pracující v infračerveném oboru, která byla vynesena na oběžnou dráhu v srpnu 2003 nosnou raketou Delta 7920H ELV. Zrcadlo má průměr 85 cm. Přístroje byly chlazeny kapalným heliem na teplotu 5,5 K do roku 2009. Pozorovací spektrální rozsah byl v období chlazení 3÷180 μm. Od roku 2009 pracuje dalekohled v „teplém“ režimu – teplota celého dalekohledu je cca 30 K a  pracuje jen přístroj IRAS na vlnových délkách 3,6 μm a 4,5 μm. Program observatoře má na starosti California Institute of Technology. i mnoha pozemskými přístroji, například arizonským dalekohledem LBT (Large Binocular Telescope) i dalšími zařízeními. Poprvé se tato kupa – superčočka – proslavila v roce 2012, kdy se dalekohledům HST a SST podařilo nalézt patnáctkrát zesílený obraz velmi vzdálené galaxie, jejíž světlo se vydalo na cestu k nám pouhou půl miliardu roků po velkém třesku. Bez gravitační čočky by tak vzdálená galaxie z období 3,5 procent stáří vesmíru nebyla vůbec viditelná. Tím éra fascinujících objevů objektů zesílených touto superčočkou teprve začala.

Dalším zajímavým objektem byla bezejmenná spirální galaxie, kterou superčočka MACS J1149+2223 zobrazila hned třikrát. To je docela běžné, že gravitační čočky vytvářejí vícenásobné obrazy vzdálených objektů, v tomto případě spirální galaxie, jejíž světlo k nám putovalo 9 miliard roků, vidíme ji tedy v období pouhé třetiny života vesmíru. A právě v této spirální galaxii byly později objeveny dva významné objekty: supernova Refdal a modrý veleobr Ikaros.

Hubblův dalekohled pozoruje trojnásobný obraz vzdálené spirální galaxie za pomoci
gravitační čočky (kupa MACS J1149+2223) v popředí. Zdroj: HST/NASA/ESA.

Supernova Refsdal

Mezinárodní tým vědců z Jihokalifornské univerzity, Minnesotské univerzity, Arizonské univerzity a Fyzikálního institutu ve španělské Cantabrii, který byl veden Patrickem Kellym, objevil v jednom z obrazů výše zmíněné spirální galaxie, zesílené gravitační čočkou, v listopadu 2014 supernovu. Její obraz zesílila jedna konkrétní galaxie superčočky MACS J1149+2223. Souhrou náhod byly objekty téměř na přímce a vznikl čtyřnásobný obraz supernovy, tzv. Einsteinův kříž. Teoretici vypočetli, že zhruba o rok později by se měl obraz této supernovy objevit znova, a to v dalším ze tří známých obrazů mateřské spirální galaxie, tedy jakési vesmírné déja vu. Proto byl tento úsek oblohy pečlivě sledován a dne 11. prosince 2015 se opravdu podařilo pozorovat supernovu ještě jednou. Splnilo se to, co předpověděl norský teoretik Sjur Refsdal už v roce 1964: exploze supernov je možné díky gravitačnímu čočkování pozorovat opakovaně a z časových posunů mezi pozorovanými obrazy supernov studovat expanzi vesmíru. Proto byla supernova, u níž se to podařilo poprvé, pojmenována podle jeho jména, tedy Refsdal.

Čtyřnásobný obraz supernovy Refsdal pozorovaný v listopadu 2014.
Zdroj: HST/NASA/ESA.

Veleobr Ikaros

Okolí supernovy Refsdal bylo pečlivě sledováno mnoha přístroji po celý další rok. K velkému překvapení astronomů se v těsné blízkosti objevil v dubnu 2016 další zářící bod. Jeho intenzita se postupně zvyšovala několik týdnů, poté dosáhla maxima a objekt začal opět slábnout. Skupina vedená Kellym se nejprve domnívala, že jde o další obraz jimi objevené supernovy. Pořízené spektrum to ale vyloučilo, šlo o spektrum modrého veleobra s povrchovou teplotou někde mezi 11 až 14 tisíci kelviny. Ve spirální galaxii, v níž explodovala supernova Refsdal se podařilo zobrazit obyčejnou hvězdu. To by ale mělo být naprosto vyloučené, neboť se díváme na galaxii, jejíž světlo k nám putovalo 9 miliard roků, a je tedy v obrovské vzdálenosti. Následující analýza ukázala, že pravděpodobně došlo k tomu, že se do zákrytu dostal veleobr ze vzdálené spirální galaxie a hvězda podobná Slunci z čočkující kupy galaxií MACS J1149+2223 v popředí. Gravitační kupa zesiluje světlo hvězdy přibližně šestsetkrát, další zesílení jednou z hvězd kupy způsobilo, že se intenzita veleobra ze vzdálené spirální galaxie zvýšila 2000krát, a bylo tak možné ho přímo pozorovat. Jde o nejvzdálenější hvězdu, kterou se podařilo díky mikročočkování jinou hvězdou přímo zobrazit. Hvězda dostala název MACS J1149+2223 LS1. Písmena LS znamenají Lensing Star (první hvězda zobrazená čočkou MACS J1149+2223). Neosobní katalogové číslo bylo doplněno poetičtějším názvem Ikaros.

Světelná křivka Ikara v sobě nese informace o rozložení hmoty v čočkující kupě. Podrobná analýza vyloučila, že by temná hmota v galaxiích kupy MACS J1149+2223 byla tvořena soustavou mnoha černých děr středních hmotností, jak předpokládaly některé modely z poslední doby (viz AB 31/2016). Je vidět, že pozorování gravitačního čočkování přináší důležité výsledky z nejrůznějších oborů astrofyziky.

Fotografie modrého veleobra Ikaros pořízená v dubnu 2016
Hubblovým dalekohledem. Zdroj: HST, ESA/NASA.

Spektrum Ikara (červené kosočtvrece) a modelové spektrum modrého
veleobra (modrá křivka). Zdroj: HST, ESA/NASA.

Další možnosti

Jediná gravitační kupa dokázala fokusovat objekty nejrůznějšího charakteru a v jistém smyslu funguje jako opravdový obří vesmírný dalekohled. Abychom ale mohli jím zobrazované objekty pozorovat, musíme dnes využívat Hubblův dalekohled a jiné špičkové přístroje. Odhaduje se, že až bude v provozu dalekohled Jamese WebbaJWST (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., bude možné gravitační čočkování vzdálených supernov a hvězd pozorovat jak na běžícím pásu. Představte si například zákryt vzdáleného objektu hvězdokupou nacházející se v mezilehlé kupě galaxií. Výrazné zesilování obrazu bude probíhat jak na úrovni celé kupy galaxií, tak opakovaně na jednotlivých hvězdách hvězdokupy (tzv. mikročočkování). Množství měření bude značné, což umožní zjistit řadu údajů o pozorovaném objektu, například jeho rotaci a další fyzikální charakteristiky. Einsteinem opomíjené gravitační čočky se pomalu ale jistě stávají rutinním pozorovacím nástrojem současné astronomie.

Dvě časově posunutá zesílení obrazu modrého veleobra Ikaros v různých
obrazech mateřské spirání galaxie. Zdroj: NASA/ESA.

Odkazy