Fascinace chladným vesmírem - Herschel

V roce 1800 položil na stůl, ozářený slunečními paprsky, skleněný hranol. Do míst, kam dopadala duha z rozloženého slunečního světla, umístil teploměr. Dnes nás nepřekvapí, že ...

... největší nárůst teploty pozoroval hned vedle červené čáry duhy – tam, kde se na papíře neobjevila žádná další barva. Správně vydedukoval, že do tohoto místa dopadá nějaký zatím neznámý druh záření. Dnes mu říkáme infračervené, protože je ve spektru umístěno vně červené barvy.

Tento objev nezůstal jeho jediným. Friedrich Wilhelm Herschel se stal nejúspěšnějším a nejvynalézavějším astronomem  historie.

Narodil se 1738 v Hannoveru. 1757 emigroval do Anglie, kde objevil svou novou vášeň – astronomii. Své teleskopy si budoval sám. V roce 1781 objevil planetu Uran a téměř přes noc se stal světoznámým. Díky apanáži, kterou mu udělil král, se mohl vědě nerušeně věnovat po celý zbytek života. Kromě planety Uranus objevil také jeho dva měsíce Titania a Oberon a měsíce Saturnu – Mimos a Enceladus. Jeho největší teleskop byl jeho vlastním dílem – měl průměr zrcadla 122 cm a ohniskovou vzdálenost 12 metrů.

Na jeho počest byl pojmenován největší teleskop, jaký kdy lidstvo vyslalo na oběžnou dráhu.

Projekt Herschel vlastnil dosud největší zrcadlo (3,5 metru), zhotovené z jednoho kusu materiálu. Pomocí tří spektrometrů sledoval infračervené záření v oblasti 57 – 670 µm. Aby nedocházelo k ovlivnění zachyceného signálu, byl celý systém chlazen na teplotu několika stupňů Kelvina. To se dělo pomocí tekutého helia. Relativně velké rozměry nedovolily chladit celý teleskop, dostal tedy tepelný štít a chlazení se omezilo jen na jeho přístroje.

Raketa Ariane 5 ho vynesla v květnu 2009 (spolu s teleskopem Planck) na oběžnou dráhu kolem země. Během dalších dvou měsíců se pomalým manévrem dostal na místo, kde měl strávit dalších 3,5 let, do té doby, než se vypotřebuje helium, potřebné k chlazení přístrojů. V  blízkosti Země by ho příliš rušilo její tepelné záření.

Lagrange bod - L2

V soustavě Země-Slunce se bod č. 2 nachází na oběžné dráze kolem Slunce, 1,5 milionu kilometrů za oběžnou dráhou Země. Oba lokální zdroje infračerveného záření jsou pak na jedné přímce a satelit se k nim může při průzkumu vesmíru otočit zády, aby nebyl rušen.

Byl umístěn do tzv. Lagrageova bodu,  místa, kde gravitace ostatních těles (Země a Slunce) působí jako kotva. Objekty, které se do těchto bodů dostanou, nemohou samy o sobě svou pozici opustit. Lagrangeovy body jsou proto oblíbená parkoviště teleskopů, které z nějakého důvodu nemohou fungovat přímo na oběžné dráze Země. 

Mise teleskopu Herschel skončila v roce 2013. Poté, co bylo vypotřebováno všechno chladicí medium, uvolnil satelit místo v Lagrangeově bodu pro jiné projekty. Byl odeslán na bezpečnou vzdálenou, tzv. "hřbitovní" dráhu kolem Slunce.

Proč právě infračervené záření? Čím je pro vědce zajímavé?

Vesmír je chladný, alespoň většina jeho objektů je relativně chladná. Mezihvězdný plyn a prach mají teplotu pouhých několika stupňů Kelvina a záření, které vysílají se proto pohybuje v infračervené oblasti spektra.

Infračervené paprsky pronikají hravě oblaky prachu a plynu. Hodí se proto pro výzkum objektů, které nejsou běžnému, viditelnému světlu dostupné.

Do infračervené oblasti je posunuta ta část informace, která pochází z velice starých objektů. To se děje díky rozpínání vesmíru. Čím starší objekty, tím vzdálenější jsou. Čím vzdálenější objekt, tím rychleji se od nás vzdaluje. Čím rychlejší je jeho pohyb, tím větší je přesun informace v jeho spektru k infračervenému konci.

V infračervené oblasti se také nacházejí spektrální čáry mnohých molekul, zajímavých pro výzkum procesů v planetárních atmosférách, případně v protoplanetárních soustavách.

Herschel teleskop měl oproti (v minulém blogu zmiňovanému) pozemnímu teleskopu ALMA možnost zkoumat i ty vlnové délky infračerveného záření, pro které je atmosféra naší planety neprostupná. 

Jakým způsobem září hmota…

… je dáno její teplotou. Horké vlákno žárovky vyzařuje vlnové délky, které jsme schopni vidět očima, zatímco chladné objekty samy o sobě nevidíme. Vlnová délka, kterou vyzařují leží v infračervené oblasti spektra. Pokud je nutno je zobrazit, musíme použít  kamery se senzorem, citlivým na infračervené záření. Tzv. termovizní kamery se například používají pro lokalizaci tepelných ztrát domů. 

Procesy v mezihvězdné hmotě

V oblacích mezihvězdného plynu a prachu probíhá neustálý souboj gravitace a tepelného záření. Gravitace se snaží oblak zhušťovat a zmenšovat, tepelné záření se ho snaží rozpínat. U hmotnějších objektů logicky vítězí gravitace. Oblak kolabuje a v jeho centru se tvoří nové hvězdy, obklopené protoplanetárními systémy.

Právě takové soustavy zkoumal teleskop Herschel.

V hodně vzdálených (proto i hodně starých) galaxiích objevil Herschel oblasti ve kterých vznikaly naráz statisíce hvězd. Ve srovnání s nimi působí naše vlastní, dnešní galaxie klidně a spořádaně. Průměrně v ní vzniká jedna hvězda ročně.

Pro ty, kdo se zabývají vznikem života ve vesmíru, přinesl teleskop Herschel dobrou zprávu. Potvrdil přítomnost vody jak v mezihvězdných oblacích, tak  v galaxiích a soustavách právě se tvořících hvězd. Planetární soustavy proto mohou obsahovat dostatek vody, potřebné pro život.

U hvězdy TW Hydrae, vzdálené 176 světelných let, objevil teleskop Herschel protoplanetární disk, ze kterého se formují planety kolem centrální hvězdy. Pozorování ukázala, že je hmotnost tohoto disku daleko vyšší, než se očekávalo.  Poukazuje to na fakt, že ve vesmíru mohou vznikat planetární soustavy, které jsou daleko hmotnější a komplexnější než ta naše. Planety mohou být hmotnější nebo jich může být více. 

Výše zmíněné dva příklady jsou jen malým zlomkem  úspěchů, které projekt dosáhl. Herschel byl enormně výkonnou a zdařilou misí – během svého pobytu na oběžné dráze provedl satelit více než 35 000 měření. Jejich výsledky budou vědci zpracovávat ještě řadu let.