Věda, která sahá po hvězdách – teleskop ALMA

Největší, nejdražší a nejdokonalejší hračka v dějinách astronomie. Tak by se dal nazvat teleskop s malebným názvem ALMA. Ve španělštině a portugalštině jeho jméno znamená „duše“. Jeho domovem se stala poušť Atacama v Chile.

Nad plání, plnou ostrých kamenů, zapadá slunce. Na nebi se pomalu objevují první zářivé hvězdy. Za chvíli ho promění v temný, stříbrem protkaný koberec. Vědci, technický personál, návštěvníci i turisté si vychutnávají jedinečný pohled. Poté, co vystoupili z autobusu ovšem rychle pocítí také všechna negativa, která s sebou přináší zdejší vysoká nadmořská výška. Projeví se pocitem nevolnosti, únavy, zvracením, v extrémním případě i ztrátou vědomí. Práce je tu možná jen s kyslíkovou maskou, delší pobyt je nemožný.

Útrapy, kterým je vystaven technický personál ale i sami vědci se jim rozhodně vyplatí. Největší a nejdražší projekt, jaký kdy pozemní astronomie uskutečnila, přinesl nejen vyšší rozlišení snímků – umožnil experimenty, které posunuly vědu a lidstvo kupředu hned o několik kroků.

ALMA je pozemní teleskop, který se odlišuje od všech dosud vybudovaných teleskopů svou převratnou technickou konfigurací. Běžný teleskop vlastní větší či menší zrcadlo, které sbírá informace elektromagnetického záření - a předává je k dalšímu zpracování počítačům. ALMA se skládá z většího množství (66 větších a menších antén) jednotek, které jsou všechny synchronizovány a propojeny s řídícím střediskem. Největší výhodou systému je ovšem jeho mobilita. Jednotlivé antény nemají stálou pozici a mohou být (s přesností několika milimetrů) pomocí dvou transportérů rozmístěny v okruhu 150 metrů až 16 kilometrů. To dává teleskopu možnost „zoomovat“. Pro pozorování větších objektů volí vědci menší konfiguraci, pro pozorování vzdálených a malých objektů spíše větší rozpětí antén. V případě potřeby může celý systém fungovat jako obří anténa s průměrem téměř 16 kilometrů.

Velké množství souběžně pracujících antén produkuje obrovské množství informací. Je tak velké, že není v lidských silách je ukládat. Každá z dvanáctimetrových antén vyšle za sekundu provozu 15 GB dat. Ta jsou nejprve několikanásobně zmenšena kompresí, digitalizována, aby pak optickými kabely  putovala do 15 km  vzdáleného řídícího střediska, které se nachází v příjemnější nadmořské výšce 3000 metrů. Výsledný tok informací je přesto úctyhodný. Každou vteřinou získávají  vědci ze všech antén přes 64 MB dat.

Další zvláštností systému je tzv. adaptivní optika. Kompenzuje hlavní nedostatek pozemních teleskopů oproti těm, které jsou umístěny na oběžné dráze - chvění atmosféry, které znesnadňuje pozorování detailů. Speciální pohyblivý povrch antény umožňuje atmosferické turbulence v reálném čase vykompenzovat. Je k tomu potřeba jasně zářící hvězda, nacházející se nedaleko pozorovaného objektu. Její mihotání je registrováno a použito ke standardizaci signálu pozorované hvězdy. Pokud není žádná referenční hvězda k dispozici, vytvoří vědci projekci „umělé“ hvězdy zhruba do výšky 90 km pomocí laserů.

ALMA sleduje s dosud nevídanou citlivostí a přesností infračervenou část elektromagnetického spektra. Pro srovnání – je až desetkrát přesnější než Hubble teleskop.

Využívá přitom tzv. „okna“, ve kterém je propustnost atmosféry vyšší, než při ostatních vlnových délkách záření (viz obrázek nahoře).

První data začal teleskop ALMA sbírat už v roce 2009. Začátkem 2011 se na něm začaly uskutečňovat první vědecké projekty, i když byla tou dobou k dispozici jen třetina celkové konfigurace. Oficiální zahájení plného provozu proběhlo v březnu 2013.

Nepodílí se na přímém hledání života ve vesmíru, ani na pátrání po planetě, podobné Zemi. Jeho úkolem je prozkoumat „chladné“ části vesmíru, ke kterým patří plynné molekuly, prach a pozůstatky velkého třesku – reliktní záření. Sbírá informace o tom, jak vznikaly první hvězdy a galaxie, detekuje stavební kameny hvězdných soustav a planet v dnešním i v ještě mladém vesmíru. 

Umí sledovat spektrální linie, které byly pro dřívější instrumenty příliš slabé a může vystopovat daleko pestřejší paletu sloučenin než dosavadní teleskopy.

Podílí se na velkém množství různých projektů. Jedním z napínavých úkolů je například průzkum emisních linií ionizovaného uhlíku. Pozorování nefunguje u zdrojů příliš blízkých. Linie, které uhlík emituje, se nacházejí v té části elektromagnetického spektra, kterou pozemská atmosféra nepropouští. Díky rozpínání vesmíru se ale všechny emisní čáry přesouvají směrem k větším vlnovým délkám, do části spektra, ve které už může být zachyceno i na pozemském povrchu teleskopem, jakým je ALMA. Povedlo se tak sledovat spektrální čáry ionizovaného uhlíku u objektů s rudým posuvem více než 6 jednotek – odpovídající objektům, které existovaly v relativně  mladém vesmíru, 600 – 800 milionu let po velkém třesku. Díky vysoké citlivosti navíc umí ALMA vzdálené galaxie nejen detekovat, ale i kartografovat.

Není to fascinující?

Ještě nedávno lidstvo nevědělo, jestli u ostatních hvězd existují planety.

Dnes nejen že věda několik tisícovek planet našla, dokáže dokonce i nahlížet do vzdálených planetárních soustav během jejich vzniku. Ze všech vědeckých projektů, na kterých se ALMA podílí, jsem jako příklad vybrala dva objevy, které se týkají formování planetárních soustav.

Jedním z překvapivých objevů je oblak z oxidu uhelnatého v protoplanetární soustavě u hvězdy Beta Pictoris, vzdálené 63 světelných let.1) Disk z plynu a prachu, který hvězdu obklopuje je považován za klasickou právě se tvořící planetární soustavu. V tomto zhruba 20 milionů let starém systému vědci takové nakupení oxidu uhelnatého nečekali. Plyn, který byl v protosoustavě přítomen by se měl totiž zářením mateřské hvězdy během 100 let rozložit. Zdá se, že je neustále doplňován – pravděpodobně kolizemi malých ledových těles – komet nebo malých planet. Kartografováním protoplanetárního systému vědci zjistili, že se oxid uhelnatý koncentruje do dvou lokalit. Možným vysvětlením je existence velké planety, která vychytává komety ve svém okolí, nebo kolize dvou menších ledových planet v relativně nedávné době (méně než 100 let).

1) https://cs.wikipedia.org/wiki/Beta_Pictoris

Druhá grafika ukazuje pravděpodobnou pozici planet, které se tvoří kolem mladé hvězdy HL Tauri. Je od nás vzdálena 450 světelných let. Obrázek, který zachytil teleskop ALMA, je několikrát přesnější než zatím nejostřejší snímek Hubble teleskopu. Snímek překvapil vědce hlavně proto, že HL Tauri 2) je teprve zhruba milion let stará. Natolik vyvinutou planetární soustavu u ní nikdo nečekal. Zdá se, že formování planet kolem protohvězdy může probíhat rychleji, než jsme původně předpokládali.

2) https://en.wikipedia.org/wiki/HL_Tauri

Teleskop by měl pracovat 30 let, pokud ho nezasáhne žádná přírodní katastrofa. Oblast, ve které ALMA stojí, je sice výhodná pro pozorování vesmírných objektů – nachází se ale zároveň v blízkosti aktivního vulkánu Láscar. Je to nejaktivnější sopka v Chile. Vybuchla naposled v roce 2006.