Před 8 lety, v březnu 2002, při jedné ze servisních misí (3B) k Hubbleovmu vesmírnému teleskopu byla původní kamera pro snímání slabě zářících objektů (Faint Object Camera) nahrazena modernější a výkonnější kamerou ACS (Advanced Camera for Surveys). Astronomové tak mohli naplánovat mnohem ctižádostivější projekty, mezi kterými dominují projekt Hubblova ultrahlubokého pole, ale i projekt COSMOS – Cosmic Evolution Survey (výzkum vývoje vesmíru). Pod tímto názvem se ukrývá podrobné mapování konkrétní oblasti oblohy, která se promítá do zorného pole asi 2 x 2 uhlového stupně. Aby ji bylo možno pozorovat z obou hemisfér, byla zvolena v rovině zemského rovníku.
Obr. vpravo: Obraz vyhlazeného rozložení hmoty (hlavně temné) v oblasti oblohy mapované v rámci projektu COSMOS. Byl odvozen z deformace způsobené slabou gravitační čočkou, která je vpečetěna do tvaru galaxií nacházejících se v pozadí. Barvy označují vzdálenost koncentrace hmoty v popředí, která byla určena na základě efektu gravitační čočky. Struktury, které jsou označený bíle, modře a zeleně jsou blíže než ty, které jsou oranžové a červené. Je to zatím nejkomplexnější analýza dat z výzkumu COSMOS. Vědci poprvé využili Hubbleův teleskop v kombinaci s analýzou vlivu slabé gravitační čočky na určení zrychlení expanze vesmíru.
Kredit: NASA, ESA, P. Simon (University of Bonn) a T. Schrabback (Leiden Observatory).
Projekt COSMOS si vyžádal v průběhu asi dvou let 10 % pozorovacího času Hubbleova teleskopu, který při 640 obletech Země udělal 575 mírně se překrývajících podrobných snímků jednotlivých částí zvoleného pole. Kromě Hubblea ho v rámci COSMOSu mapovaly i další známé dalekohledy, zejména ty, které mohly data doplnit o snímky v radiové, rentgenové a infračervené oblasti spektra – například oba velké pozemní radiové teleskopy VLA (Very Large Array) v Novém Mexiku i VLT (Very Large Telescope) v Čile, dále rentgenové kosmické sondy Chandra a XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission - Newton), infračervená sonda Spitzer nebo japonský pozemní teleskop Subaru pozorující vesmír ve spektru viditelného světla a infračerveného záření. Výsledkem rozsáhlého projektu je unikátní databáze, která poskytuje obrovské množství informací o sice malé, ale snad dostatečně reprezentativní oblasti oblohy. Snímky více než dvou miliónů galaxií představují průřez 75 procent věku vesmíru. Údaje z COSMOSu již několik let jsou a ještě dalších pár nepochybně budou zdrojem mnohých vědeckých prací.
I nejnovější číslo časopisu Astronomy and Astrophysics přináší článek s výsledky jedné z nich. Mezinárodní tým 22 vědců pod vedením Tima Schrabbacka ze skotské Edinburgh University si vybral část zorného pole zmapovaného v rámci projektu COSMOS a podrobně prostudoval přes 446 000 různě vzdálených galaxií. To, oč se vědci zajímali nejvíce, byly deformace galaktických obrazů. V těchto změnách, které způsobuje takzvaná slabá gravitační čočka jsou skryty informace o hmotnosti a rozložení hmoty, jež se nachází mezi pozorovanou galaxií a pozemským pozorovatelem. Jde zejména o temnou hmotu, které je asi 5 krát více, nežli nám známé hmoty baryonové, ale která – jak předpokládáme – podle stejných fyzikálních pravidel gravitačně ovlivňuje zakřivení časoprostoru a tedy i ohýbá dráhu světla. Když pak máme k dispozici dostatečné množství galaxií s přesně změřeným tvarem jejich obrazů a určenou vzdáleností, pak je možné pomocí složitých výpočtů analyzovat v daném zorném poli rozložení gravitačně působící (temné) hmoty a to nejen v prostoru, ale i v čase. Protože z větší dálky přicházející světlo přináší informace z dávnější minulosti - o zdroji, který ho vyzářil, ale i o všech gravitačních účincích, jež ho cestou ovlivnily.
Schrabbackův tým měl z mnohých moderních dalekohledů k dispozici výsledky fotometrických měření, které umožňovaly z kosmologických rudých posuvů ve spektru záření určit vzdálenost více než 194 000 galaxií.
"Už samotný počet galaxií zahrnutých do této analýzy je výjimečný, ale mnohem důležitější je množství informací, které můžeme získat o neviditelných strukturách ve vesmíru z tohoto unikátního datového souboru," zdůrazňuje člen týmu Patrick Simon z Edinburgh University. Jak naznačují jeho slova, vědci gigantickou databázi údajů přehnali výkonnými počítači a výsledkem složitých matematických algoritmů jsou modely simulující vývoj velkorozměrových struktur temné hmoty ve vesmíru pro časoprostor ohraničený hodnotami rudého posuvu z = 0 (nejbližší vesmír) a z = 5 (něco přes 9 miliard světelných let). Vlastně vytvořili modely dva, aby otestovali působení tajemné temné energie, která urychluje rozpínání prostoru. Jeden pro vesmír, ve kterém temná energie působí - ΛCDM, nebo lambda-CDM model, kde lambda je kosmologická konstanta reprezentující působení temné energie a zkratka CDM značí cold dark matter, tedy chladná temná hmota. Druhý model je pro vesmír bez působení temné energie - SCDM (standard cold dark matter). V obou případech vědci uvažovali s „plochým“ vesmírem, ve kterém lokálně platí pravidla „klasické“ euklidovské geometrie.
Animace vývoje velkorozměrových vesmírných struktur temné hmoty pro z = 5 až 0 (tedy směrem do přítomnosti) se spustí kliknutím na následující obrázek (kredit: The Hubble European Space Agency Information Centre):
Astronomové vytvořili počítačové simulace znázorňující vývoj velkorozměrových struktur pro dva různé kosmologické modely – pro Lambda-CDM model, v kterém dominuje tmavá energie a SCDM model vesmíru bez temné energie. Kredit: J. Hartlap (University of Bonn).
Nejde samozřejmě o první modelování časových změn v rozložení hmoty ve vesmíru. Jde spíše o zdokonalení v několika směrech – patří mezi první třídimenzionální, je výsledkem zpracování obrovského kvanta vstupních dat, zdokonaluje metodiku zpracování a zpřesňuje měření vlivu gravitační čočky na tvar obrazu galaxií.
Obr. vpravo: Ilustrace pohledu Hubbleova teleskopu zpět do minulosti. Jeho snímky v kombinaci s údaji z pozemních observatoří o vzdálenostech jednotlivých galaxií umožňují „mapovat“ vývoj hmotných struktur. Datový soubor byl rozdělen do „galaktických populací“, jež představují zdroje světla v jednotlivých časových epochách v historii vesmíru. Zobrazení mapující distribuci temné hmoty podle jednotlivých časoprostorových vrstev je kalibrováno pomocí měření kosmologického rudého posuvu galaxií, které působí jako čočka.
Kredit: NASA, ESA, P. Simon (University of Bonn) a T. Schrabback (Leiden Observatory)
V roce 1998 nás všechny, bez ohledu na profesní zaměření zaskočila zpráva, že vesmír se rozpíná stále rychleji. Zásadním způsobem to změnilo pohled na strukturu vesmíru, v kterém do těch dob panovala sice záhadná, ale přece jenom fyzikálně ukázněná temná hmota. Sice nebyla a dosud ani není známa její hmotná podstata, no alespoň dodržuje gravitační zákon. Pak dva astrofyzikální týmy navzájem nezávisle, ale na základě stejné metody – analýz explozí mnohých supernov typu Ia v různých časoprostorových vzdálenostech – se dopracovaly k témuž závěru: ve vesmíru dominuje záhadná temná energie, která se projevuje antigravitačními účinky. Podle převládající teorie jde o energii vakua. Za tucet let jsme se s faktem stále rychleji expandujícího vesmíru jakž takž smířili a hledáme možnosti jak ho lépe prozkoumat. A právě podrobnost a rozsah zmíněné studie, která rekonstruuje vývoj hmotných vesmírných struktur ve velkém časoprostorovém měřítku, nabízí od supernov Ia nezávislé potvrzení existence temné energie a jejího akceleračního vlivu na rozpínání vesmíru. Jde v podstatě o rekapitulaci toho, jak se vytvářely shluky hmoty v průběhu kosmické historie a jak na ně působila na jedné straně „přitažlivá“ gravitační síla známé i neznámé (temné) hmoty a na straně druhé „odpudivá“ síla záhadné temné energie.
"Temná energie ovlivňuje naše měření dvěma způsoby. Zaprvé, její přítomnost zpomaluje růst galaktických kup a za druhé mění způsob, jakým vesmír expanduje. To vede k nárůstu vzdáleností a k zvýšení efektu gravitačních čoček. Naše analýza citlivě reaguje na oba jevy," vysvětluje Benjamin Joachimi z Universität Bonn. "Studie navíc potvrzuje Einsteinovu teorii obecné relativity, která předpovídá, jak ovlivnění světla gravitační čočkou závisí na rudém posuvu," dodává další člen týmu, Martin Kilbinger z Institut d´Astrophysique de Paris.
Zdroje: preprint článku z dubnového Astronomy and Astrophysics , spacetelescope.org
Diskuze:
