Hubbleův vesmírný teleskop je bezesporu historicky přelomovým zařízením v našem zkoumání vesmíru. Jde o první velký teleskop, který opustil područí pozemské atmosféry, jež nás sice po miliardy let chrání před smrtícím působením tvrdého kosmického záření, ale zároveň znemožňuje pozorovat vzdálené kosmické objekty ve většině důležitých oborů elektromagnetického záření. Dobrá – působivý začátek, ale není už HST jen zastaralou vlajkovou lodí kosmického výzkumu – teleskop, který už řekl vše, co mohl, a veškeré další náklady na jeho údržbu jsou jen zbytečnou investicí?

 

Rozhodně ne. Ač už jsme si u něj za poslední léta často zvykli na pouhé sekundární potvrzování všemožných jevů či objektů snímaných novou generací kosmických observatoří (ale dnes už i těch pozemních – vybavených adaptivní optikou a tím poskytujících mnohdy až desetkrát větší rozlišení než senior Hubble), HST ještě neřekl své poslední slovo.

 

 

Tuto skutečnost si před takřka rokem a půl uvědomil ředitel Hubbleova teleskopu, stejně jako fakt, že HST už nemá před sebou kdovíjak dlouhou budoucnost a nebylo by špatné z něj dostat to nejlepší, co je v rámci jeho konstrukce i letité historie možné, a pořádně sešlápl plynový pedál. Výsledky pozorování by rovněž měly tvořit odrazový můstek pro další program detektoru nové generace a dlouho očekávaného Hubbleova nástupce – teleskopu Jamese Webba (podrobněji níže).

Šlo o náročný úkol a byli osloveni přední odborníci ve všech podstatných oblastech vesmírného výzkumu. Po měsících návrhů, debat, hádek a konzultací přišla jednoznačná odpověď: Historický Hubbleův úspěch, nejhlubší pohledy do hlubin archaického vesmíru, je nejen možné zopakovat, ale posunout ještě dál.

 

Jen už to není tak jednoduché. Už se nemůžeme spoléhat na palubní přístroje, ale je potřeba si vypůjčit fenomén Einsteinovy obecné teorie relativity – gravitačního čočkování. Největší hmotné struktury, galaktické kupy, ohýbají svojí hmotností okolní časoprostor tak specifickým způsobem, že dochází ke zvětšení světelných zdrojů nacházejících se daleko za nimi ve společné optické ose. Fotony vzdáleného zdroje míjející velmi hmotný galaktický klastr jsou zesilovány podobně jako při průchodu optickou soustavou čoček v dalekohledu. A toto zesílení je achromatické – zesiluje stejně všechny vlnové délky (což nám poté velmi pomáhá při následné rekonstrukci vzdálených objektů, neboť jejich obraz vidíme zdeformovaně). Zjednodušeně řečeno, vesmír nám poskytuje ještě jeden obří dalekohled, který bude spřažen s tím Hubbleovým. Výsledným efektem bude bonus (a to úplně zdarma), jako kdyby měl HST světlosběrnou plochu přibližně 50 – 100krát větší. A nepůjde ani o krátkodobou záležitost – jde o program vskutku časosběrný, trvající tři roky.

 

Takto se pomalu rodil projekt „Hraniční pole“ – Frontier Fields, od počátku do konce podpořen sekundárním programem „Parallel Fields“, čili polem souběžným. (Název „Hraniční“ byl zvolen jednak proto, že posouváme hranice dál, a druhak to zní lépe než třeba ultra ultra hluboké pole.) Ale to není vše. Jde o hluboké pole paralelní a šestinásobné. Termínů je víc, tak to vezměme hezky postupně.

 

I když předpokládáme homogenitu a izotropii vesmíru na velkých škálách, spousta odborníků namítala, že jak HDF, tak HUDF nemusí představovat celistvý obrázek kosmického prostoru ve vícero směrech. Pokud byste pořídili dva náhodné detailní záběry oblastí zeměkoule v úzkém zorném poli, pravděpodobně by se na obou snímcích vyskytovala vodní hladina, neboť vodní plochy tvoří až 75 % povrchu. Další extrapolací můžete mylně prohlásit, že naše Země je vodní svět. Takže něco na názoru oponentů předchozích hlubokých polí je. Připomeňme si jen ve zkratce obě:

 

Hubble Deep Field
Deset dní trvající projekt čítající několik set hodin expoziční doby, probíhající od 18. do 28. prosince 1995 během 150 obletů Země, se skládal ze 342 snímků s typickou expoziční dobou 15 – 40 minut. Místo, na které byl zaměřen, bylo velké jen 2,5 úhlové minuty a leží asi 6 stupňů od hvězdy Megrez směrem k Malé medvědici. Na snímku HDF je pouze 90 hvězd, které patří do naší Galaxie, vše ostatní jsou cizí a daleké galaxie. Celkem je na fotografii na 3 000 objektů a jde o ty nejvzdálenější, které jsme do té doby mohli pozorovat. Místo bylo pečlivě vybráno, omezení byla jak technická (HST může bez přerušení sledovat jen malý pruh na obloze – na severní polokouli jsou to souhvězdí Kassiopeji a Velké medvědice), tak astronomická – bylo potřeba vybrat místo bez přítomnosti jasných hvězd, mlhovin či dalších silně zářících objektů. První z obou souhvězdí bylo zamítnuto, neboť jím prochází spirální ramena naší Galaxie, ale i ve směru druhého bylo nutno vyhnout se velkým blízkým galaxiím i početným shlukům galaxií vzdálenějších.

 

Hubble Ultra Deep Field
Po výměně některých detektorů HST, jež zvýšily citlivost teleskopu takřka desetkrát, provedli astronomové ještě jedno snímkování, tentokrát nazvané HUDF – Hubble Ultra Deep Field. Šlo vlastně o snímky dvěma různými přístroji, které byly následně složeny. Nové hluboké pole ovšem mohlo nahlédnout ještě dál do historie vesmíru, neboť byla ve hře už i infračervená kamera, která umí zaznamenat vzdálenější objekty díky posunu jejich světla do infračervené oblasti (viz následující popis detektorů). Teleskop mířil na plošku o velikosti 2,4 čtverečních minut směrem k souhvězdí Pece. Expozice začaly 3. září 2003 a skončily 16. ledna 2004. Celková expoziční doba obou přístrojů dosáhla 15,8 dne. Pole bylo vybráno tak, aby se v něm nenacházely blízké galaxie, jen ty vzdálené. Našlo se jich tam na 10 000 a zrodily se asi 400 až 800 milionů let po velkém třesku.

Zvětšit obrázek

V levé části obrázku náhled na HUDF, vpravo výřez a zoom daleké kompaktní galaxie UDFj-39546284 složené především z modrých hvězd, jak vypadala 480 milionů let po velkém třesku. Zdroj http://frontierfields.org/2014/01/17/cosmic-archeology-2/

Pro lepší pochopení celého projektu se ještě pokusíme v krátkosti shrnout dva zásadní Hubbleovy optické detektory ze šesti aktivních palubních přístrojů:

ACS (Advanced Camera for Surveys)

Byla navržena odborným týmem Univerzity Johnse Hopkinse, sestavena a testována v Ball Aerospace & Technologies Corp. v Goddardově vesmírném centru NASA. Finální testy a montáž do nákladového prostoru raketoplánu Columbia proběhly v Kennedyho kosmickém centru. Start proběhl 1. 3. 2002 v rámci servisní mise 3B (STS-109). Montáž na HST nastala 7. 3. ACS je víceúčelový přístroj a brzy se z něj stala hlavní kamera HST. Snímá obraz pomocí tří nezávislých kanálů ve vysokém rozlišení od blízkých infračervených pásem přes viditelné světlo až po ultrafialové frekvence a je doplněna řadou filtrů, koronografem nebo polarimetrem. Pro svou flexibilitu je využívaná ke snímkování široké škály objektů a jevů od komet a planet až po vzdálené kvasary a galaktické kupy, a právě ona hrála hlavní úlohu při snímání pole HUDF.

Zvětšit obrázek

ACS v cleanroomu Goddardova kosmického centra před montáží do nákladového prostoru raketoplánu Columbia. Zdroj: Wikipedia

 

WCF3 (Wide Field Camera 3)

Jde o technologicky nejpokročilejší zařízení HST navržené pro pozorování v oblastech viditelného světla. Jedná se již o třetí generaci tohoto detektoru. K jejímu usazení do přístrojové desky HST došlo 14. 5. 2009 v rámci mise STS-125. WCF3 je širokoúhlé multispektrální detekční zařízení. Snímá ve dvojici nezávislých kanálů: Optický kanál využívá dvojici CCD polovodičových čipů na vlnových délkách 200 – 1000 nm, infračervený kanál zaznamenává frekvenční rozsah 800 – 1700 nm. Oba kanály jsou rovněž vybaveny řadou širokých i úzkých frekvenčních filtrů. V nejvyšších frekvenčních pásmech je kamera schopna detekovat i blízké ultrafialové světlo. Optický kanál má rozsah zorného pole 164 x 164 úhlových sekund (2,7 x 2,7 úhlové minuty, necelých 10 % plochy Měsíce za úplňku).

Zvětšit obrázek

Poslední testování a kontrola Wide Field Camera 3 v Kennedyho vesmírném centru. Zdroj http://en.wikipedia.org/wiki/File:Wide_Field_Camera_3.jpg

 

 

Koncept Frontier Fields

První věc, která bezesporu zasluhuje uznání, je celková „architektura“ programu. Kam se hrabou odvážné nápady odborníků satelitní špionáže v dobách studené války. Nejenže dochází k paralelnímu zapojení obou kamer na přilehlých částech oblohy. Odborníci krom toho využili i základní fyzikální vlastnosti našeho slunečního systému – oběhu planet kolem Slunce. Jelikož solární panely HST musí být nasměrovány vždy směrem k mateřské hvězdě, dochází tedy vždy po šesti měsících k příčnému pootočení těla dalekohledu o 180°. Tím se zároveň o stejnou hodnotu přesunou polohy obou kamer uvnitř tubusu HST. Takže pole, které před půlrokem zabírala primárně kamera ACS, teď zabírá detektor WCF a naopak. Sama koperníkovská mechanika pohybu planet a nutnost napájení teleskopu nám tedy hraje do karet. Takže ne dvě za cenu jedné, ale rovnou čtyři! Mechanismus pootočení obou zorných polí dobře ilustruje následující schéma:

 

Zvětšit obrázek

Diagram znázorňuje směrové dráhy fotonů dopadajících na oba detektory v souběžném čase. Kamera ACS pro viditelné světlo je znázorněna modře, infračervená WCF3 červeně. V levé části obrázku vidíte náhled části oblohy, již obě kamery zaznamenávají. Po půlroce si kamery snímající obě pole (hraniční a paralelní) vymění pozici o 180°. Tři kruhové pásy po stranách obrázku znázorňují pole FGS – Hubbleových senzorů přesného navádění. Jde o interferometrická palubní čidla, která poskytují velmi přesné údaje o směrování tubusu teleskopu. Dvě z nich jsou využívána pro přesné nasměrování HST, třetí slouží k astrometrickým měřením. Čidla dosahují takové přesnosti, že jsou využívána k měření hvězdných vzdáleností, k detekci binárních hvězdných systémů či k zaznamenávání exoplanet – jsou totiž schopna detekovat „kývavý“ pohyb hvězdy v důsledku vzájemného oběhu kolem společného těžiště hvězda-planeta. Kvůli své citlivosti mohou být v provozu, jen pokud je teleskop nasměrován pod úhlem 50° a větším vůči Slunci. Jejich vzájemná poloha montáže v teleskopu činí 90°. Zdroj

 

Tím se dostávám k vysvětlení výše uvedeného názvu „šestinásobné paralelní“. V průběhu tříletého trvání programu si obě kamery šestkrát vymění zorná pole a budou sledovat rozdílné (ale souběžné) výseky oblohy vybraných galaktických kup a jejich okolí. Jak se lépe přesvědčit, že by vesmír měl být homogenní a izotropní? Ale kam vůbec HST zamířit? Stejně jako u předchozích dvou hlubokých polí se tato otázka stala předmětem náruživých diskuzí všech zúčastněných vědeckých týmů. Díky technickým limitacím byla možnost výběru omezená (viz předchozí odstavec o HDF). Jedno bylo díky nové metodě snímání jasné – musí jít o dostatečně hmotné galaktické kupy, abychom mohli využít metodu gravitačních čoček. Ale nešlo jen o to vybrat ty nejhmotnější klastry – bylo důležité přihlédnout k rozložení zorných polí obou kamer. Neméně důležitý byl i druhý požadavek – velká koncentrace temné hmoty. Co by to bylo za program, který by se nesnažil nalézt odpověď na jednu z nejpalčivějších otázek současnosti? A při tom všem to poslední, co potřebujete mít v zorném poli, jsou jak přesvětlené bližší objekty či prachoplynová oblaka v rovině Galaxie, nebo naopak spousta temného a chladného materiálu v rovině ekliptiky naší sluneční soustavy. Nakonec se vědci shodli na šesti vzdálených klastrech zobrazených v následující tabulce. U každé kupy je uveden červený posuv (z) a rektascenze + deklinace jak primárního (Frontier), tak přilehlého (Parallel) pole:

Zvětšit obrázek

Zdroj obrázku: http://www.stsci.edu/hst/campaigns/frontier-fields/HST-Survey

V průběhu 36 měsíců HST absolvuje 840 oběhů, aby zmapoval těchto dvakrát šest polí. Časově vyjádřeno půjde o přibližně dva miliony sekund záznamu. Každá z expozic proběhne v délce 15 až 20 minut a všechna nasnímaná data se budou digitálně odesílat v datových paketech do sítě DSN. Z těchto digitálních balíčků se následně budou sestavovat kompozitní obrazové mozaiky, což obnáší další technickou výzvu – všechna zobrazení deformovaných dalekých zdrojů je potřeba digitálně upravit. Na každou galaktickou kupu tím připadne 6 x 140 oběhů HST (u HDF to bylo 140 oběhů), tempo snímání budou dvě přilehlé oblasti klastrů za jeden rok. Pozorování první oblasti galaktické kupy Abell 2744 je dokončeno, na řadu přichází další. A snímkování druhé kupy MACSJ0416.1–2403 už začalo. A jak tedy vypadá celý časový harmonogram cílových objektů?

První rok: Kupa Abell 2744 + MACSJ0416.1-2403
Druhý rok: MACSJ0717.5+3745 + MACSJ1149.5+2223
Třetí rok: Abell S1063 (RXCJ2248.7-4431) + Abell 370

 

Zvětšit obrázek

Ilustrace rozložení zorných polí všech HST detektorů. Po stranách už zmíněné senzory FGS 1-3, kromě ACS a WCF3, dále zorné pole spektrometru NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer), Space Telescope Imaging Spectrograph (STIS) a Cosmic Origins Spectrograph (COS). Ze všech těchto přístrojů se programu Frontier/Parallel fields účastní pouze ACS a WCF3. Poslední pole SBC (Solar Blind Channel) je součástí detektoru ACS a zachycuje nízkoenergetické fotony v ultrafialovém oboru (115–170 nm). Jeho prostorové rozlišení je 0.030" na pixel a zorné pole dosahuje 25"×25". Jde vlastně o další součást spektrografu STIS. Zdroj

 

Kde na obloze najdeme polohy nových hraničních polí?

Oblasti nových hlubokých polí bohužel nemůžeme sledovat přímo ani za pomoci těch nejvýkonnějších poloprofesionálních či profesionálních pozemských teleskopů, protože i pro ty nejlepší kosmické detektory, jakými jsou Hubble nebo Chandra, je náročné zachytit při dlouhotrvajících expozicích otisky slabých fotonů dalekých oblastí. Zjednodušeně řečeno sledovaná místa na obloze mají stejně velkou plochu jako otvor velikosti špendlíkové hlavičky ve čtvrtce papíru, kterou držíte před očima v natažené paži.

Dvanáct hraničních polí míří na šest míst na obloze, kde sice svým dalekohledem žádné vzdálené galaxie neuvidíte, pokud vás ale zajímá, kde se nachází, mám pro vás následující mapky:

 

Zvětšit obrázek

Průmět hraničních polí do obdélníkové hvězdné mapy. Pole jsou očíslovaná v chronologickém pořadí tříletého výzkumu. Každému hraničnímu poli přináleží sousední pole paralelní. Schéma zachycuje i některá předchozí pole: HDF severní a jižní (HDF-N a HDF-S) a předchozí ultrahluboké pole (HUDF). Šedě je vytečkována oblast Mléčné dráhy. Pro zkušenější astronomy: Na stránce ttp://frontierfields.org/2014/03/18/locations-on-the-sky/ najdete i detailnější polohy všech šesti hraničních polí. Kredit: All-sky star chart: J. Cornmell and IAU. Zdroj: All-sky sky chart: J. Cornmell, Constellations, IAU

Podpůrné pozorovací programy v jiných vlnových délkách

A celý program má ještě dvě externí pozorovací podpory (fanoušci kosmických detektorů už zřejmě tuší). Jak se sluší a patří na moderní detailní vesmírný výzkum, i program Frontier/Parallel Fields je podpořen snímkováním dvou dalších kosmických detektorů. Infračervený Spitzer už v minulosti sledoval identická místa oblohy a měl na to vyčleněno více než 1000 hodin pozorování, neboť některé pozorované objekty se nachází tak daleko (mají výrazný posuv do infračervené oblasti), že i při využití IR filtrů nedosahují výsledky HST požadovaného rozlišení. Rentgenová Chandra rovněž kopíruje Hubbleovo hraniční pole a už zaznamenala oblasti extragalaktického horkého plynu a oblasti extrémně zahřátého vodíku kolem supermasivních černých děr v jádrech pozorovaných galaxií. Na rozdíl od již ukončeného Spitzeru (po vyčerpání zásob tekutého helia pro chlazení detektoru) bude rentgenová Chandra pokračovat v monitorování oblastí FF/PF. Takže skládanka pozorování ve více vlnových pásmech se úspěšně rozrůstá. Podrobným studiem snímků raného vesmíru a jeho prvotních galaxií se můžeme dopracovat k daleko komplexnějšímu pochopení celkového náhledu na to, proč dnešní vesmír vypadá tak, jak jej pozorujeme. A k tomu připočtěme další „oběd zadarmo“ (slovy Alana Gutha) – gravitační čočkování nám zesiluje i reliktní mikrovlnné záření kosmického pozadí. Čili další lupa v rukou kosmologů bez vynaložení astronomických nákladů.

 

Ale v Hraničním poli nejde jen o minulost. Ve hře je už zmíněný budoucí teleskop JWST. Výsledky Frontier/Parallel Fields poslouží nejen jako zdroje pozdějších přesnějších spektrometrických měření, ale budou sloužit i jako spolehlivé zdroje při kalibraci infračervených detektorů nastupující vlajkové lodě kosmických teleskopů.

A vědci zatím netuší, jestli bude dlouhý výzkum korunován famózním úspěchem či ne. Situace trochu připomíná rybáře, který sice stojí na břehu, ale povede se mu nahodit udici až kamsi za obzor. Budeme si muset ještě dobrých pár měsíců počkat. Ale co je důležité – a to už jsme pro změnu v přítomnosti –, všechna data a fotoarchivy programu FF/PF jsou volně přístupné na webu – ideální zdroj pro jakékoli výzkumy nejen zúčastněných týmů.

Zvětšit obrázek	Prostorové rozložení obou polí WCF3 (červeně) a ACS (modře). Obě pole jsou snímána paralelně a po 6 měsících dojde k záměně pozic. Na snímku je galaktický klastr Abell 2744. Zdroj
Zvětšit obrázek	V pravém zvětšeném výřezu je nově objevená nejvzdálenější galaxie pojmenovaná Abell2744_Y1. Kredit: NASA, ESA, J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI), and N. Laporte (Instituto de Astrofisica de Canarias). Zdroj

 

První důležitý benefit programu Frontier/Parallel Fields: Objev nejvzdálenější galaxie

Určitě mnozí z vás zachytili tu zprávu počátkem letošního února. Právě díky pozorování galaktické kupy Abell 2744 v rámci programu Frontier Fields byla objevena zatím nejvzdálenější galaxie. O podrobnou analýzu se postaraly týmy astronomů z Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) a La Laguna University (ULL), ovšem primární data pochází z již zmíněného nového programu HST, jehož pozorování jsou ověřována kosmickou observatoří Spitzer, a v nejbližší době provede měření oblasti v rentgenovém oboru detektor Chandra. Na rozsáhlém projektu se rovněž podílejí odborníci z Francie (Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie de Toulouse and Centre de Recherche Astrophysique de Lyon), Švýcarska (Geneva University and Ecole Polytechnique Federal de Lausanne) a Univerzity v Arizoně.

 

Zvětšit obrázek

První záběry Frontier Fields kupy Abell 2744 (zatím pouze cca polovina kompletních obrazových dat). Vlevo hlavní „Frontier“ pole. Levý snímek je v barvách, jež mají zvýraznit nově zaznamenaná data v infračerveném oboru (IR data červeně, data ve viditelném světle z archivních snímků v modré a zelené barvě). Vpravo souběžné paralelní pole. Všechny barvy patří oblasti viditelného světla. Kredit: NASA, ESA, and J. Lotz, M. Mountain, A. Koekemoer, and the HFF Team (STScI). Zdroj

Pozorování samotné probíhalo pomocí optických a infračervených senzorů HST, jež jsou stále ve výborné kondici. O potvrzení výsledků v infračervené oblasti se postarala analýza dat Spitzerova detektoru. Kvalita pozorovaných dat je tak vysoká, že vědecké týmy můžou zkoumat vzdálený objekt s dosud bezprecedentní přesností. Primární pozorování se týkala obří vzdálené galaktické kupy Abell 2744 (také známé pod názvem Pandořina kupa). Ta působí jako gravitační čočka a díky ní mohli astronomové pozorovat nejvzdálenějšího rekordmana. Pradávná galaxie Abell 2744_Y1 je třicetkrát menší než Mléčná dráha, ale tvorba hvězd v ní je desetkrát intenzivnější. Z naší lokální části vesmíru ji pozorujeme v době pouhých 650 milionů let po velkém třesku a jejímu světlu trvalo více než třináct miliard let, než doputovalo na CCD čipy vesmírných fotodetektorů. Zatím se jeví jako jedna z nejjasnějších galaxií detekovaná v takto obrovských časoprostorových vzdálenostech.

 

Odborníci původně očekávali, že najdou tak vzdálený objekt poblíž středu galaktické kupy, kde je efekt gravitační čočky nejsilnější. Nicméně galaxie Abell 2744_Y1 se nachází na okraji Hubbleova snímku, kde je gravitační působení klastru na procházející fotony menší. Pozorování Spitzerova detektoru pomohla přesněji určit vzdálenost a potvrdila rovněž, že vzdálená galaxie je tvořena jak velkým počtem hvězd, tak i množstvím mezihvězdného plynu.

 

Zvětšit obrázek

V levé části obrázku je záznam HST galaktické kupy Abell 2744, napravo souběžného paralelního pole (víc technických specifikací bude následovat v samostatném článku). Oba výřezy jsou zasazeny v poměrné velikosti do snímku Digitálního výzkumu oblohy (Digitized Sky Survey – DSS). Modře je zvýrazněn rozsah Hubbleova zorného pole ve viditelném spektru, červeně zorné pole IR palubního detektoru. Měřítko v pravé spodní části obrázku znázorňuje jednu úhlovou minutu (asi jedna třicetina Měsíce v úplňku pozorovaného ze zemského povrchu). Kredit: Digitized Sky Survey (STScI/NASA) and Z. Levay (STScI).

 

 

 

Zdroje informací:
http://www.stsci.edu/hst/campaigns/frontier-fields/HST-Survey
http://hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2014/17
http://www.universetoday.com/109216/found-distant-galaxy-spotted-just-650-million-years-after-big-bang/
http://www.iac.es/divulgacion.php?op1=16&id=836&lang=en
http://frontierfields.org/2014/03/18/locations-on-the-sky/
https://www.youtube.com/watch?v=t4YiUwlTfCw
Psáno pro: Kosmonautix a osel.cz