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 NASA, ESA a CSA. 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 HST a JWST, 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) – kosmický dalekohled Jamese Webba, následovník HST připravovaný kosmickými agenturami NASA, ESA a CSA, který má být umístěn do Lagrangeova bodu L2 soustavy Země-Slunce. Plánované rozměry segmentovaného zrcadla jsou 6,5 m. Vypuštění dalekohledu je neustále odkládáno, poslední termín byl stanoven na rok 2018. 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), Země 31 % (0,31) a Měsíce 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 byla ale objevena až v roce 1995. Na počátku roku 2013 bylo objeveno již 854 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 biosignatur ve spektru povrchu exoplanet, zaměří se na sledování procesů při vzniku hvězd a bude sledovat složitou interakci mezi 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 exoplanet o hmotnosti Jupiteru, ani že se bude podílet na měření rychlosti kosmické expanze pomocí vzdálených supernov. 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 Kepler či COROT; 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 Hipparcos [3] vhodné hvězdy spektrální třídy 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 aperturu, 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 magnitudy hvězdy a superzemě se předpokládá přibližně Δm = 25. Vlastní svit hvězdy musí být potlačen (v koronografu nebo okulterem) 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 albeda 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 koronografem, 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 okulter 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
- STSCI (Space Telescope Science Institute)
- Sci Tech Daily: ATLAST is Being Designed to Discover Life on Planets
- Astronomia: Katalog HIPPARCOS a SIMBAD
- Huff Post Science: On Extraterrestrial Life
- NASA (Goddard Space Flight Center): JWST Spacecraft Deploy Animation
- NASAGeek3476: NASA Ares V 8 Meter Telescope Mission
- OSEL (Objective Source E-Learning): Jak běžné jsou v Galaxii obyvatelné Země?
- SPACE: New Moon Rocket Could Launch Giant Space Telescopes
- NASA SCIENCE: Thinking Big About Space Telescopes
- The National Academies Press: Science Opportunities Provided by NASA's Constellation System
