Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 48 – vyšlo 6. prosince, ročník 17 (2019) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

48/2019

Hledání druhé Země

Rudolf Mentzl

Mezi desítkou nejrychleji se rozvíjejících oborů astronomie bychom objevování 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. bezpochyby našli na některém z prvních míst. Jejich vyhledávání nebo potvrzování se věnují pozemní observatoře stejně jako špičkové vesmírné sondy. Po úspěšné sondě 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. a právě probíhajícím měření sondy TESSTESS – Transit Exoplanet Survey Satellite, družice zaměřená na výzkum a hledání tranzitujících exoplanet. Startovala 18. 4. 2018 z kosmodromu Cape Canaveral a byla navedena na protáhlou geocentrickou dráhu s perigeem 108 000 km a apogeem 375 000 km. Součástí přístrojového vybavení jsou především čtyři širokoúhlé dalekohledy opatřené CCD detektory. se můžeme těšit na misi PLATOPLATO – PLAnetary Transits and Oscillations of stars, mise Evropské kosmické agentury, start je plánován na rok 2026. Sonda bude sledovat tranzity planet u milionu hvězd. Jedním z hlavních cílů bude vyhledávání terestických planet u hvězd podobných našemu Slunci. Sonda bude umístěna v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce.. Koncepčně bude navazovat na sondy 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. a CHEOPS. Již tak zajímavé téma exoplanet zde ještě nabude na mediální přitažlivosti. PLATO bude vyhledávat planety, které jsou Zemi podobné nejen svou stavbou, ale i oběžnou dobou. Bude hledat přímo její dvojčata.

PLATO – PLAnetary Transits and Oscillations of stars, mise Evropské kosmické agentury, start je plánován na rok 2026. Sonda bude sledovat tranzity planet u milionu hvězd. Jedním z hlavních cílů bude vyhledávání terestických planet u hvězd podobných našemu Slunci. Sonda bude umístěna v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce. 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. Astroseismologie – odvětví astronomie zkoumající vnitřní strukturu hvězd na základě analýzy chvění jejich povrchu. Vlnění povrchu lze detekovat fotometrickými metodami nebo rozborem posunů spektrálních čar způsobených přibližováním nebo vzdalováním hvězdného povrchu. Cirkumbinární planeta – planeta obíhající těsnou dvojvězdu.

Co je PLATO

Mise PLATO (PLAnetary Transits and Oscillations of stars) stojí a padá se stejnojmennou sondou vyzbrojenou šestadvaceti kamerami, pomocí kterých bude vyhledávat hvězdy vykazující změny jasnosti a případně upozorňovat na kandidáty, kolem kterých by mohla obíhat exoplaneta. Tomuto způsobu pátrání po exoplanetách se říká metoda tranzitůTranzit – 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.. Sonda má ve své databázi asi milion hvězd, na které zaměří pozornost. Na rozdíl od svých předchůdců se bude specializovat na jasnější 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. a vyhledávání menších skalnatých planet v obyvatelném pásmu. Řečeno naplno, bude vyhledávat SuperzeměSuperzemě – exoplaneta s hmotností menší než desetinásobek hmotnosti Země. Některé prameny tuto hranici posouvají na pouhý dvojnásobek hmotnosti Země..

Optické vybavení sondy budí respekt – 24 kamer se širokoúhlým objektivem o průměru 120 mm a čtyřmi velkoformátovými CCDCCD – Charge Coupled Device, zařízení s nábojovou vazbou, umožňuje převést paralelní analogový signál (elektrický náboj kumulovaný v potenciálových jámách) na sériový signál, daný časovou posloupností proudových pulzů úměrných kumulovanému náboji. Při serializaci paralelní informace CCD funguje jako posuvný registr, který umožňuje postupné posouvání náboje změnou potenciálového profilu řízenou hodinovým signálem. (Přesun náboje si lze přestavit podobně jako řetěz lidí předávajících si při požáru na povel různě naplněná vědra s vodou. S každým povelem se konkrétní vědro posune o krok blíže k požáru. Časový průběh proudu vody vylitého do ohně odráží prostorové rozložení objemů vody ve vědrech.) Potenciálové jámy mohou být umístěny vedle sebe pouze v jediné řadě (lineární CCD) nebo ve více řadách (plošné CCD). Nejznámějšími CCD jsou fotoelektrické snímače, kdy se rozložení náboje vytváří vnitřním fotoefektem. Mohou však sloužit i jako paměťové prvky (například jako odkládací paměť pro výše zmíněné fotoelektrické snímače). V zobrazovacích zařízeních jsou nejmenší rozměry jednoho CCD pixelu 9×9 mikrometrů a plošné senzory jsou tvořeny maticí velkou až 5120×5120 pixelů. Chlazené CCD senzory pracují se šumem odpovídajícím 4 až 7 elektronům. (Údaje z roku 2008.) prvky bude pracovat ve viditelném a blízkém infračervenémInfračervené záření – elektromagnetické záření s delší vlnovou délkou, než má viditelné světlo, v rozsahu od 0,75 μm do 400 μm. Infračervené záření objevil v roce 1800 William Herschel při rozkladu slunečního světla hranolem. Zjistil, že za červenou barvou existuje další záření, které zahřeje teploměr. IR záření využíváme v infrazářičích, v infralampách, při infraterapii, v dálkových ovladačích, v termovizi, v čidlech na zloděje, v dálkových teploměrech a při dálkovém průzkumu Země. V astronomii se využívá IR záření k výzkumu meziplanetární hmoty, planetárních atmosfér, plynu a prachu v galaxiích, hnědých trpaslíků, červených veleobrů, exoplanet, protoplanetárních disků a mlhovin. IR záření prochází zemskou atmosférou jen částečně, v tzv.oknech. pásmu s vlnovým rozsahem 500–950 nm. Další dvě kamery s modrými a červenými filtry jsou určeny pro krátké expozice hvězd s jasností kolem čtvrté až šesté maginutdy. Tato zařízení by měla poskytnout údaje potřebné k určení poloměru planet s přesností do 3 % a věku hvězdy do 10 %. V kombinaci s pozemními měřeními radiálních rychlostí máme navíc šanci zjistit hmotnost planety s přesností až 10 %.

To vše je samozřejmě velice lákavé pro hledače dvojníků naší Sluneční soustavy a v tomto smyslu se mise zřejmě stane populární. Jsou tu však i další bonusy. Ze změn jasu dokážeme usuzovat i na takové jemné nuance, jako jsou vlastnosti atmosféry exoplanety nebo seismické aktivity centrální hvězdy. Výzkum planetárních systémů podobných tomu našemu nám také pomůže lépe pochopit architekturu naší Sluneční soustavy.

Jeden z CCD prvků. Každá kamera bude disponovat čtyřmi. Zdroj: ESA – S. Madden.

Je třeba prozkoumat

Observatoř PLATO bude pracovat po dobu šesti let v 1,5 milionu km vzdáleném Lagrangeově libračním boděLagrangeovy body – pět bodů v sousedství dvou obíhajících hmotných těles, ve kterých je gravitační a odstředivá síla vyrovnána. Polohu těchto bodů poprvé vypočítal italsko-francouzský matematik Joseph-Louis Lagrange. Velmi výhodné je například umístění sond určených k pozorování vzdáleného vesmíru do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce, který je vzdálený od Země 1 500 000 km ve směru od Slunce (WMAP, Planck, Herschel). Naopak, do bodu L1 soustavy Země-Slunce se umísťují sondy určené pro monitorování Slunce (například SOHO). Lagrangeův bod L3 soustavy Země-Slunce leží opačné straně Slunce, nepatrně dále, než je oběžná dráha Země. Body L4 a L5 neleží na spojnici obou těles, ale tvoří s nimi rovnostranné trojúhelníky. L2 soustavy Slunce Země. Protože je pobyt v tomto bodě z principu nestabilní, jsou pro misi zhruba každé čtyři týdny plánovány korekční manévry. Na komunikaci se Zemí jsou vyhrazeny čtyři hodiny denně, zbytek času bude sonda pracovat v autonomním režimu. Z Evropského kosmodromu Kourou ji vynese již za šest let ruská raketa Sojuz.

Naše želízko v ohni

Největší podíl na řízení bude mít Německé středisko pro letectví a kosmonautiku DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V.) a Institut Maxe Plancka v Göttingenu. Velký podíl na vývoji a výrobě budou mít další výzkumné ústavy v Německu, ale také ve Francii, Itálii, Velké Británii a Španělsku. Ani my nezůstaneme stranou. Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy uvolnilo na podporu mise PLATO 840 000 €. Česká strana se bude podílet na zpracování dat a na softwaru.

Problémem se u nás ve funkci hlavního řešitele zabývá Petr Kabáth, vedoucí ondřejovské skupiny výzkumu exoplanet. Jejich úkol spočívá v testování pozemního softwaru a v testování a přípravě programového vybavení sondy, které zprostředkuje informace o jejím stavu. Algoritmy budou psány v PYTHONu a jejich konkrétní implementace pro počítač sondy bude už na straně vlastních konstruktérů.

Snímky pořízené kamerami budou samozřejmě zašuměné různými rušivými vlivy. Proto je třeba fotografie nejprve opravit pomocí korekčních snímků a později se pokusit potlačit ještě další šum způsobený například elektronikou. Protože je na sondě stav všech přístrojů pečlivě monitorován, dají se tyto vlivy eliminovat. Výsledkem by měla být očištěná světelná křivka. I na těchto úkolech bude participovat ondřejovská skupina.

Exoplanety se nezkoumají jen z kosmického prostoru

Ondřejovská skupina stojí i za pozemní logistikou, konkrétně za organizací výroby kontejnerů na přepravou kamer. V České republice je jen několik pracovišť, která jsou schopná dodržet přísné limity ISO5. Především jsou to vysoké nároky na čistotu a samozřejmě na stabilitu, aby otřesy při přepravě nezpůsobily poškození kamer. Celkový počet kontejnerů bude 33 (1× prototyp, 26 pro kamery, 6 rezervních), což počet možných výrobců opět snižuje.

Žádná kosmická sonda vyhledávající exoplanety není ani v prvním přiblížení černá skříňka se seznamem hvězd na vstupu a na výstupu generující přehlednou tabulku hvězdných systémů s charakteristikami obíhajících exoplanet. To co tyto sondy poskytují, jsou jen seznamy hvězd podezřelých z toho, že kolem nich něco obíhá, případně s jakou periodou. Dalšími pozemními pozorováními je třeba toto podezření potvrdit či vyvrátit. V nedávném bulletinu AB 45/2019 jsme přinesli informaci, že se na tomto procesu mohou úspěšně podílet i observatoře, kterým zeměpisná poloha příliš nepřeje. Na hvězdárně v Ondřejově tak došlo k významnému objevu hnědého trpaslíkaHnědý trpaslík – hvězda s tak malou hmotností (13÷80 M_J), že teplota v nitru nikdy nedosáhne bodu vzplanutí dostatečně energetických termojaderných reakcí (alespoň 8×10⁶ K). Dalšímu stlačování vlivem gravitace a tím i nárůstu teploty zabrání elektronová degenerace. Od planet se liší tím, že emituje po dobu několika miliard let viditelné světlo (planeta září v IR). obíhajícího centrální hvězdu v zapovězeném pásmu. Tentokrát se ondřejovští vypraví za lepšími pozorovacími podmínkami do Chile.

Chilskému dalekohledu o průměru pouhých 1,5 metru se šije na míru spektrometr PLATOSpec. Prioritou je vysoké rozlišení, což je podmíněno stabilitou, tedy především odolností vůči změnám teploty nebo tlaku. Určen bude hlavně k vyhledávání obřích plynných planet a k podpoře misí TESSTESS – Transit Exoplanet Survey Satellite, družice zaměřená na výzkum a hledání tranzitujících exoplanet. Startovala 18. 4. 2018 z kosmodromu Cape Canaveral a byla navedena na protáhlou geocentrickou dráhu s perigeem 108 000 km a apogeem 375 000 km. Součástí přístrojového vybavení jsou především čtyři širokoúhlé dalekohledy opatřené CCD detektory. a PLATOPLATO – PLAnetary Transits and Oscillations of stars, mise Evropské kosmické agentury, start je plánován na rok 2026. Sonda bude sledovat tranzity planet u milionu hvězd. Jedním z hlavních cílů bude vyhledávání terestických planet u hvězd podobných našemu Slunci. Sonda bude umístěna v Lagrangeově bodě L2 soustavy Země-Slunce.. Parametry přístroje slibují měřit radiální rychlosti hvězd až do pouhých tří metrů za sekundu. Aspiruje tedy i na potvrzování malých planet typu Země nebo je bude alespoň schopen vytipovat jako kandidáty pro další zkoumání.

Rychle se vyvíjející techniky vyhledávání planet pomocí fotometrieFotometrie – část astronomie zabývající se zkoumáním a porovnáváním světla z různých zdrojů z hlediska jeho působení na lidský zrakový orgán. Sledované fotometrické veličiny, například jasnost, světelný tok nebo osvětlení zohledňují vedle vlastností dopadajících fotonů fyziologii našeho zraku. nebo pomocí radiálních rychlostí katalyzovala vznik nového oboru – astroseismologieAstroseismologie – odvětví astronomie zkoumající vnitřní strukturu hvězd na základě analýzy chvění jejich povrchu. Vlnění povrchu lze detekovat fotometrickými metodami nebo rozborem posunů spektrálních čar způsobených přibližováním nebo vzdalováním hvězdného povrchu.. Již delší dobu s úspěchem nahlížíme pod sluneční povrch díky helioseismologii. Astronomové dokážou sledovat vlnění slunečního povrchu a z toho, jakým způsobem se Slunce chvěje, usuzují na jeho vnitřní strukturu. Astroseismologie si počíná podobně, pouze je zde potřeba pracovat s jemnějšími nástroji, které jsou schopny zohlednit i nepatrné změny jasu nebo radiální rychlosti. Ze světelné křivky lze snadno vyfiltrovat neperiodické změny, které by mohly být způsobeny seismickou aktivitou hvězdy. Podobně si počínáme při sledování změn radiálních rychlostí. Chvějící se povrch – tedy neustále se přibližující a vzdalující povrch hvězdy – má za následek změnu profilu spektrálních čar, kterou dokážeme snadno identifikovat.

Kmitání povrchu hvězdy v různých módech se odrazí na profilu světelné křivky. Tenkou čarou je naznačena ideální světelná křivka hvězdy v klidu, silná čára odpovídá reálně se vlnícímu povrchu. Zdroj: Copernicus Astronomical Center.

Mise PLATO má odstartovat v roce 2026. To je z astronomického hlediska okamžik, což ovšem neznamená, že se projekt nemůže zpozdit. Dosavadní zkušenosti nás učí, že se tak asi opravdu stane, nicméně vlak je již rozjetý a zdá se pravděpodobné, že se opravdu dočkáme a nebude to ani tak moc trvat.

Odkazy